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蒋介石也在九月二十一日，下令改组第三战区，自己亲自兼任战区司令长官，将上海的作战部队分成左翼作战军（陈诚），中央作战军（朱绍良），右翼作战军（张发奎），同时将所掌控的中央军，几乎全数的投入战场。而此时从华南、华中，甚至西南的各路诸侯部队，也毫无保留的陆续赶往上海战场增援，中国几百年没有出现这样的勤王之师（拥护中央）四集，而共同抵御外侮的作战情景，上海的战事，已经融合了中国所有军民的血泪、力量与注意力。
松井石根得到增援之后，还是将主力放在上海西北部的郊区，以进行对华军的侧翼包围作战，不过此时日军深入内陆，已经没有威力强大的海军舰炮的火力支持了。日军从九月十一日到十月二十日的四十天之内，在这个地区的作战进展是，从潘泾打到杨泾而已，东西的距离是五公里，多处阵地的争夺，可以说是几度相互易手，华军的每个据点大都是拚到弹尽援绝，血肉成河，才不能不退。松井石根用尽各种作战的王牌，最后才终于在十月七日，突破蕴藻滨河道的华军防线，攻到上海西方郊区的交通枢纽大场。日军只要攻陷大场，华军在上海市区以及浦东的部队，也只有退出阵地，以免受到日军的包围。
为了守住大场，夺回蕴藻滨防线，蒋介石也把手边可以调动的兵力，全都耗尽了，而军政部长何应钦表示，在战事最为激烈的时间中，一个师的部队调到火线，只能维持半天，就已经报销了。迫使蒋介石最后把中央军校教导总队，以及其舅子宋子文所掌握的税警团，都调出应战，以防堵蕴藻滨战线的崩溃。而税警团是以总队的编制＇2＇，下辖两个支队共有六个团，其中留学美国军校的第四团团长孙立人，在防线争夺战中，可以说是奋不顾身的反复冲杀，几度夺回阵地，自己身负重伤，因而使得税警团的声名大噪，孙立人也就成为华军的新星。
虽然中国空军一再的以寡击众，但是究竟是实力有限，两个月内，中国的空军终于消耗殆尽了，日军从此几乎掌握了长江下游地区的绝对空优。华军要想前往战线已经是一件非常危险的事情，许多的华军部队是还没有到达前线，就已经一路遭到日机攻击而受到损失，后勤支持与伤患后送更是非常的困难，经常是处在时断时续的状态。
在这种情况下，宋美龄竟然还冒险亲自前往上海慰问伤患官兵，结果在路上遭到日机炸射，车毁人伤，被迫出国疗伤，这在现代战史而言，是几乎绝无仅有的实例。而蒋介石以最高统帅之尊，更是四度亲身冒险，前往上海前线指挥，而其中一次，更在苏州附近遭到日机追击炸射，个人生命几乎遭到不测。这种上自最高统帅夫妇，下到非正规军的武装力量，全都义无反顾的投入战线决战，表现出中国是要把这半世纪所遭到日本欺凌的屈辱与愤怒，全都化为与日军决一死战的行动，全中国上下的目标只有一个，要打出中国作战的士气与信心，要叫国际社会肯定中国的表现。
而在十月十七日，李宗仁的桂军王牌部队，第二十一集团军增援到前线，蒋介石认为中日两军在上海的战斗，已经到了最后关头，因此决定将二十一集团军，当成决战的预备队，立刻的投入战场，企图反击日军攻势，以争回蕴藻滨防线。但是由于这次的出击，时间上过于仓促，计划的配合又不够周延，而在战线上配合攻击的部队，根本已经没有战力可以发挥运用，因此造成攻势受挫。
日军立刻运用这个华军攻势受挫时机，发动反击，华军的阵地陷入支离破碎的状态，日军终于在十月二十五日攻陷战略重镇的大场，直逼苏州河，因此华军在上海作战防线，有被日军切断的危机，第十八师师长朱耀华因为大场的战线被突破，全师阵地溃散而拔枪自杀。因此在大场阵地被日军攻克之后，蒋介石只有下令华军的部队，全都后撤过苏州河，重新布防，事实上，在奉命撤退之时，华军还一直坚守闸北、江湾到庙行的市区阵地，日军根本无法越雷池一步，因而日军把坚守闸北阵地，不曾后退半步的八十八师，称做「可恨之师」。
为了营造国际舆论的报导与支持，蒋介石亲自下令，八八师留下一个营的兵力，据守四行仓库，与日军周旋到底，这就是被人传颂一时的「八百壮士」事迹，最后在租界各国的请求之下，这支孤军才退到租界之内。虽然这种作战无补于全局，但是却有极强的宣传效果。让中国人民兴奋，令日军脸上无光。
22。5 日军决定从金山卫登陆
此时，日本的大本营，对于日军在上海一直无法取得决定性的胜利，可以说是已经陷入困惑与激怒的状态，国际社会开始怀疑日军的战力，日本人民也开始从狂热中体会到挫败与死亡的忧虑。日本大本营再度权衡整个的中日战事发展，认为既然华军已将主力放在上海，因此日本要想速战速决，也只有在上海击溃蒋介石的主力，而松井石根经过三度增兵，还是无法取得决战的胜利，日本大本营除了再度增兵之外，也别无其它的选择。
于是日本大本营在十月二十六日，以临参命一二○号，做出最新的战斗序列的调整，下令由华北方面军抽调第十六师团，加入上海派遣军战斗序列，给松井石根增加决战的预备队兵力。同时另外以第六师团、第十八师团、第一一四师团，以及国崎支队等特战与支持部队，组成第十军的战斗序列，由柳川平助中将率领，前往上海地区参战。这样日本上海派遣军与第十军的部队，总计为九个师团两个旅团，人数达到二十七万人。
蒋介石眼看九国公约会员国，将在十一月三日于比利时召开会议，主题是讨论中日之战，蒋介石希望华军能够在上海地区继续作战，以利于中国提出国际仲裁，因此没有将已经面临作战力量衰竭的华军部队，向京沪线后方的纵深预定阵地调动，反而要求华军继续设法固守已经残破的阵地，而松井石根的部队，在得到大本营的支持与压力之下，只有拼命的设法强渡苏州河，继续的攻击华军阵地，于是中日两军又在苏州河南岸，陷入浴血的苦战之中。
正在此时，日本增援的第十军，突然在十一月五日，在杭州湾的金山卫登陆，抄包华军防线南方的背后。虽然蒋介石在上海作战初期，曾经设想过日军从金山卫登陆，抄包华军战线的背后可能，因此在沿岸建有简单的防御工事，以及留有部队监视。但是由于华军在上海的决战过于激烈，因此将防守杭州湾的部队抽调，蒋介石与德国军事顾问都认为，日军也已经全力的投入上海正面作战，不会有兵力再投入杭州湾的登陆。
蒋介石没有想到，日本大本营也是把所有的赌本，都投进了上海决战，竟然由华北方面军抽调兵力，组成第十军战斗序列，而由杭州湾登陆，迂回进攻华军防线的背后。蒋介石闻讯之后，立刻火速的调兵阻挡，但是华军事实上也没有兵力可调了，六十二师的回防阵地已经太迟，第六十七军刚从河南赶到，根本还没有完成集结，立刻就被日本第十军的主力所击溃。事实上就算是华军在杭州湾阵地待命，也根本没有可以阻挡日军第十军三个半师团登陆的军力。
日军在杭州湾登陆的战略企图，非常的明显，就是要从背后抄包在上海决战的华军，准备围歼华军主力，但是非常令人感到遗憾的是，蒋介石此时已经乱了方寸，没有对于这个情势的变化，做出即时与果断的退兵决定。蒋介石虽然设法抽调一切可能的部队去杭州湾沿岸，企图阻挡日本第十军的登陆与推进，但是却迟迟没有下令在上海地区参战的华军，立刻进行有计划的撤退。因此造成在杭州湾登陆的日军，有如势如破竹的直扑松江，准备切断沪杭路的交通，因而对在上海的华军，展开全面包围的态势。
日本第十军在杭州湾登陆成功，加入上海外围战斗之后，日本大本营为了统一日军在上海地区的作战指挥，在十一月七日，日本大本营下令，组成华中方面军战斗序列，由松井石根大将出任方面军司令官，统帅上海派遣军以及第十军的部队，对上海方面的华军，进行致命的合围。而在华军方面，可以说是陷入全面受到包围的危机与混乱之中。
而直到十一月八日，华军在上海的战线，已经面临全线崩溃的动摇，蒋介石才下令在上海作战的华军部队，进行全面的撤退，这样撤退的时机，迟了将近三天，造成华军几乎是以溃散的方式，脱离战场。一路上，华军各个单位，完全乱了章法，各自寻求突围与逃命的方式，先前退却的部队，担心日军的追击，因此大量的破坏桥梁与道路，使得后续撤退的华军，根本无路与桥可走，所有的重装备，几乎完全损失殆尽。
十一月十三日，日军完成对上海地区阵地的合围，南京国民政府正式发表退出上海的声明，淞沪会战进行长达三个月，华军寸土必争的浴血抵抗，的确造成全世界媒体的注意与震惊，使得日本企图三月亡华的作战目标，根本无法实现。但是，由于华军在上海的作战，缺乏弹性的运用，因此发生军力超额透支的危机，几乎将蒋介石所累积的一些抗日战力的储备，完全消耗殆尽。蒋总共调集七十八个师投入战场，后续仍有十几个师没有赶上作战。所幸是