8月14日，中国政府发表自卫抗战声明书，宣布：“中国为日本无止境之侵略所逼迫，兹不得不实行自卫，抵抗暴力。”蒋介石下令，将京沪警备部队改编为第九集团军，张治中任总司令，攻击虹口及杨树浦之敌；苏浙边区部队改编为第八集团军，张发奎任总司令，守备杭州湾北岸，并扫荡浦东之敌、炮击浦西汇山码头；同时，空军出动，协同陆军作战并担任要地防空。
当天，日军派出自誉为王牌木更津轰炸机队，由台湾起飞偷袭南京、句容、杭州地区；驻防句容机场的中国中央空军第二十八中队和第十七中队及时升空迎战。第二十八中队长陈其光率“霍克”式飞机7架在句容上空搜索警戒空域，及至发现敌机编队正在右斜下方，当即率先俯冲对正敌长机拦腰发射截击。瞬间，那长机便变成一团火焰浓烟滚落于句容郊上。其他空军战士也各显神威，共击毁敌机4架。另外，南京一地上空十七中队也击落敌机一架。是役，共击毁敌机6架而自己却无一机损失。抗战以来的中日首次空战而以“王牌”落败告终，振奋了全民，轰动了世界，显示了中华民族的抗敌御侮精神。为此事，航空委员会秘书长宋美龄等一行特亲临句容机场劳军，嘉勉备至；也为此事，路透社记者要到句容机场采访并核实战况，得以揭穿了日本广播电台所谓“这是外国飞行员所为，并非败于中国人之手”的无耻谰言。
15日，中国空军又升空作战，轰击了日上海总领事馆海军下官室、泄山码头等日军阵地，击落敌机31架，使日本更津、鹿尾两航空队精况说失，鹿尾队长石井义江被迫剖腹自杀，以谢其国人。这一天，陈其光还率机直飞舟山群岛，穿过正在泗礁山附近海面集结的百余艘日舰的密集火网，对准日舰依次俯冲投弹，敌第三舰旗舰“出云号”巡洋舰被炸得东摇西摆。
在空军重创敌空军的同时，中国处于极端劣势的海军“淞沪”、“逸仙”等舰，严阵以待，担负着守卫长江水上封锁线的任务。
从8月16日起，日军便派出大批飞机，飞临江阴上空侦察，企图炸通这条水上通道，以便沿江西上，包抄中国守军后路。8月22日下午4时25分，一场预料到的海空激战打响了。15架敌机盘旋在中国军舰的上空，重磅的炸弹，雨点般倾斜而下，霎时江面腾起六、七丈高的水柱，弹片横飞。中国海军官兵立即开炮迎击，密集的炮火带着愤怒射向敌机，经过激战，一架敌击被击中起火，在空中冒出一股浓黑的长烟，坠于黄山山后。另有两架受伤敌机，摇摇欲坠，其余敌机惊慌失措，再也顾不上维持队形，仓皇南逃。
9月22日中午，天气阴云无风，敌机40架再次来袭，集中轰炸“平海”旗舰。狡猾的敌人，改变了原来的战术，用一字鱼贯阵，向“平海”俯冲轰炸。只有3门炮、10挺机关枪的“平海”舰，顶住了敌人一次又一次反扑，打得十分壮烈。装填弹药的土兵，有的被炸得血肉模糊，爬着、滚着把炮弹送到了炮位。甲板上，到处散落着壮士们的鲜血和烂肉。炮管打红了，耳朵震聋了。但没有一个官兵后退。一等兵周绍发，半个胳膊被炸飞，痛得弯曲着身子，仍一声不吭，另一只手紧握着瞄准器转柄，向敌机开炮。瞄准器上沾满了他的血肉，光荣为国捐躯。二等兵郑礼湘见机枪手负伤，冒着弹雨，冲上甲板，双腿被炸弹片削断，仍忍痛爬向机枪，接近机枪时，敌人的机关枪又穿透了他的胸膛。牺牲时，他还紧紧地攥着枪柄，眼直直地瞪着天空，为没有消灭空中强盗而死不瞑目。舰长高宪申腰部被弹片炸成重伤，血流不止，仍留在驾驶室指挥战斗。见习和高昌衢、孟汉霖，耳朵被震破出血，忍痛发炮，最后壮烈殉国。他俩刚从军校毕业，都不足20周岁。此役持续两个小时，敌机被击落1架，伤8架，中国海军阵亡官兵6人，伤30余人，“平海”、“庄瑞”两舰受伤。
9月23日，敌侦察机2架远距离绕舰艇一周后飞去。中国海军预料马上会有一场更大的恶战，遂提前午膳，准备与敌决一死战。下午2时10分，敌机80架果然象一群乌鸦，分批向中国舰队四周围攻。以“平海”、“宁海”为轰炸目标。一架架敌机从高空急降，扔下一枚枚炸弹。中国官兵死守炮位，战斗十分紧张。“宁海”舰航海员林骥、枪炮副军士长陈耕炳当场脑破阵亡。舰长陈宏泰左腿被炸断，血流满地，誓死不下火线。枪炮上士陈永相受伤后面部血肉模糊，犹大呼杀敌不已。“平海”舰军需员陈惠手掌被弹片穿透，双腿受伤10余处，裹伤又战。机关枪见习生刘馥站在露天炮位，向敌机开火，枪架被弹片击断，遂手执赤热枪管强行扫射。左手被严重烫伤后，把手浸入水桶，在枪管上泼些水又战。甲板上，堆满了弹壳，炮管的灰漆被烧成了焦黄色。“平海”、“宁海”多处受伤进水，遂断锚进行，疯狂的敌人，尾追轰炸。但全体官兵不畏惧，他们互相鼓励，高喊“血战到底”、“杀尽日寇”，顽强地战斗着。炮弹不够用，就用照明弹打。敌人终于被中国官兵的英雄气愤所震慑，扔下6架飞机残骸，纷纷东蹿向主子报丧。
中日海空大血战，前后持续4个多月，日本出动飞机几百架次，投弹数千枚；而中国官兵仅有几十门火炮，靠自己的血肉之躯，他们为中华民族筑起了一座水上长城。十几艘军舰被炸沉后，将士们就在江岸用从舰上拆下的炮来打击敌人。止阴县城沦陷，日本海军一直没能实现其沿江西上的阴谋。
上海日军恼羞成怒，一面组织更新更大一轮血肉进攻，一面急呼国内增援。
陆相杉山元于10日内阁会议通过陆军部队动员出兵原则后，召集参谋本部作战第一部长石原莞尔、陆军次官梅津美治郎、作战课长武藤章等人商讨具体对策。
石原与梅津坚持避免日军两线作战，出兵应仅限于华北不扩及青岛、上海。主张“陆军不能出兵，侨民可由海军保护”。但陆相坚持出兵，而且武藤章也竭力将最强大的战斗力量派出。最后决定组成上海派遣军，以第三、第十一师团主力为基干，组成一个军的编制。
“派谁去指挥这个部队？这个人必须是熟悉华东地区情况的。”武藤急切询问道。
“松井石根大将！”杉山陆相说。“松井君有上海工作经验，我已奏请天皇，召回松井大将，派去上海。”
1937年8月14日，由中国西南游说归来，正在富士山麓山中湖畔别墅静养的松井石根，接到陆军大臣紧急召回电报，即刻上京领命。
15日上午10点，日本政府发表代替宣战诏书的“声明”声称：
“中国方面如此轻侮帝国，非法残暴无所不至，我在华侨民的生命财产，陷于危殆，帝国容忍已达极限。为膺惩中国军队之暴戾，促使南京政府反省，今已不得不采取断然措施。”
在随后召开的内阁会议上，杉山陆相发言提出：“对内对外关系均必须采取自主行动。各种事项应向战时体制转移。”
近卫首相对杉山发言完全认同。这就意味着，日本政府已决定扩大战争。
向上海派遣军队，即标志着日本进一步走上全面侵华战争道路！
8月17日，日本天皇召见松井石根，松井诚惶诚恐聆听“鹤声”：
“朕委卿以上海派遣军之统帅，望卿不负朕之信任，审度守内大势从速勘定敌军，振我军威武于中外。”
松井石根感激涕零，颤抖着声音回复天皇表示愿肝脑涂地，以生命振皇威。
裕仁天皇满意地微微颌首。又重问松井达成任务的方针，松井一字一句答称：“派遣军在执行任务上，密切与我海军协力，并与当地我方官宪，特别是外交使节团及其驻军紧密联系，以期尽速恢复上海附近治安。”
日本参谋本部8月12日决定向上海出兵，以第三师团、第十一师团为基本组成上海派遣军。这时，张治中决定部队于8月13日拂晓前，完成对虹口、杨树浦日军据点攻击准备。此时张突然接到南京统帅部电话命令：“不得进攻。”张治中飞急电告：“我军业已展开，攻击准备也已完毕。”但复电还是“不得进攻”。
因此，原定13日拂晓前的攻击，不得不停止。张治中预定13日拂晓攻击，本想以一个扫荡的态势，乘敌措手不及之时，一举将敌主力击溃，把上海一次整个拿下。但现在失此良机，似乎太可惜了！
原来，上海外交使团为避免上海作战，建议南京政府，改上海为不设防城市——自由口岸。这个建议文件，大概是11日发出，12日到达外交部，南京政府不免犹豫了一下，故忽然命令不得进攻。
1937年8月20日南京国民政府发布命令，实行全国总动员，转入战时体制，大本营取代军委会握有最高领导权。全国划为五大战区。京沪杭地区为第三战区，由冯玉祥为战区司令长官（9月17日以后由蒋介石自兼），顾祝同为副司令长官。淞沪战场浦东方面由第八集团军张发奎指挥；淞沪近郊方面由张治中指挥；江防方面由陈诚指挥。
运筹齐备，秣马厉兵。
由此，原为消除国民政府“后院”之潜在威胁的淞沪战场，骤然扩大为战区。20日前后，上海附近兵力已达十四五个师，三十万人。配置在长江、黄浦江沿岸各地，构筑阵地工事。
月黑风高，同由日本开来的第三、第十一师团在马鞍群岛集结，为登陆之便，都换乘小舰艇。
8月22日，松井石根乘船到达舟山群岛以北海面，是夜进抵川沙河口。决定“与海军协同，以有力兵团在川沙镇方面，以主力在吴淞登陆”。
第十一师团23日0时进入川沙口海上锚地，5时在川沙镇以北地区开始强行登陆。由于负责该地区防务的第十五集团军各部除第五十六师外，均未到达指定位置。江岸守军抵挡强敌不力，午后日军进占种沙镇，并准备以主力再攻罗庙镇。吴淞方面，日军两千余人在强大火力掩护下登陆，轻易突破守备该地的保安团火力，师团主力随即登陆。在张华浜地区，登陆日军第三师团与市警察总队展开激战。张治中得悉情况后，急令“教导总队第二团阻击张华浜之敌，第七十八师调出一旅支援吴淞，抽出第九十八师向宝山、刘行、杨行、罗店前进，由该师师长夏楚中指挥该师及第十一师阻击登陆之敌”。当日下午，两军在罗店西南摆开战场，日军凭借优势火力死守，掩护登陆部队，中国将士奋勇冲击，用手榴弹一点一点向前轰，敌军一船一船地开到，一队一队地上岸，一波一波地增援，一排一排地送死。这些日本士兵，还未来得及看到这十里洋场是什么模样，甚至还没搞清楚为什么而死时，就倒卧血泊之中，成了异国孤魂野鬼，可悲！
8月24日，日军扣续部队上陆，一部占据吴淞炮台，主力向狮子林前进。当天，中国第十五集团军各部先后到沪，陈诚决定向登陆之敌发起进攻，将其压向江边予以歼灭。
所部第九十八师鉴于日军正加紧进攻吴淞、宝山两地，若得手，南可入上海市区，西可夺取军事要地罗店，将对中国军队构成甚大威胁。遂向该两处日军展开攻势。在吴淞镇守军配合下，傍晚时将日军逼压至江边，日军丢下三百具尸体，退出宝山向狮子林退逃。
8月25日拂晓，日军第十一师团与中国方面罗店防务的第十一师和第六十七师展开罗店争夺战。日军凭借迅速构筑的工事、猛烈炮火及飞机支援，压住了第十一师的攻势，两军展开肉搏，双方伤亡惨重，互相不得前进半步。
8月27日晚，松井石根命第十一师团主力，配以飞机六架，大炮十余门，对中国军队猛烈轰炸，步兵千余人分路向中方阵地扑来。第十五集团军陈诚所部虽数次增援并发起反攻，终于不敌，日军突入罗店后，施放燃烧弹把建筑物全部燃着，在熊熊烈火中中国守军与日军展开激烈巷战，中国方面伤亡惨重，罗店再次陷于日寇之手。
松井石根舒一口气。他决定下一步攻击计划应是淞浦镇，因为中国军队正依据淞浦江岸地阻击日军侵近江岸的船只。松井命第十一师团一部浅间支队与第三师团合力攻击淞浦镇。8月31日，第三师团所属步兵第六十八联队，在海军火力支援下从江上发起攻击，中国守军第六十一师一个团在敌强大火力覆盖下几乎全部阵亡，当日日军占领吴淞镇，并逐次向西、向北扩大“战果”，9月6日又攻占宝山城。
吴淞镇失守。浅间支队在军舰二十余艘、飞机十余架掩护下，袭击狮子林炮台。国民党第九十八师一部与敌反复争夺阵地，白刃格斗，刺刀相见。最后，国军失利。日军继续进犯杨家桥、月浦之间阵地，全体守军拼死抵抗，屡挫敌锋。日军见不能得手，便将主力移至江边，借海军炮火支援攻击中国军队右翼，同时与天谷支队约定联合向月浦镇发动攻势。
天谷支队为第十一师团所属，在派遣军主力由日本出发时即被调至大连待命。紧急征调来沪。9月21日即奉命沿吴淞——月浦——罗店公路攻击罗店方面中国军侧后，以几十余辆战车为先导，日军突破中国军队阵地后继续向西进犯，5日与浅间支队会合。守卫月浦东侧阵地的中方军队伤亡过半，被迫撤出。
狮子林、宝山城血战正激，陈诚集团军又在发动收复罗店战事。激战数日，双方杀得阴天蔽日，难解难分。日军虽被击毙甚重，尸体狼藉，但凭着舰炮、飞机及各种轻重火器顽抗，陈态军队始终未取得理想战果。
松井石根同样焦头烂额。由于中国军队的顽强抵抗，日军两个师团陷于苦战不能自拔，伤亡达四千余人，进展十分缓慢，“战果”不理想。8月底9月初，松井急如热锅上的蚂蚁，深恐不能完成任务，以辱天皇所授“大命”。松井与第三舰队司令官长谷川清被迫分别向东京请求增援。
9月6日，日陆军参谋长上奏天皇：“决定增派第九、第十三、第一〇一师团及台湾守备队（重藤支队）到上海。”此外，又从华北方面军抽调兵十个大队和炮兵、工兵、毒气等“特种部队”各一部增援上海作战。
日军对华主战场自是由华北移至华中。
如此，9月11日，日军“上海派遣军战斗序列”正式组成：
司令官，松井石根大将，参谋长饭沼守少将，副参谋长上村利道大佐，及作战课、情报课、后勤课三课，辖第三、第九、第十一、第十三、第一〇一五师团及炮兵、飞行团、工兵、毒气瓦斯部队等“特种部队”。
至9月中旬，日军在上海的兵力达十万人以上、重炮三百多门、坦克战车二百多辆、飞机三百余架、大小战舰七十余艘。松井决心以陆海空军三栖兵力在大上海与中国军队实行立体决战。他确定了新的作战方针：“以第三、第十一及应先到达的第一〇一等三个师团攻击南翔——大场镇一线之敌，其作战方向为经刘家行附近向大场镇方向消灭上海北侧地区之敌；在此期间，命重藤支队与第十一师团协力消灭罗店镇附近之敌，并确保该地以北，掩护日军侧背安全。”
日寇磨刀霍霍。国民政府大本营也在急速调兵遣将：再次向上海增加兵力，并将战区划分为左中右三大作战集团：右翼作战区司令官张发奎，辖第八、第十集团军；中央作战区司令官朱绍良，辖第九集团军及第十八、第六十一师、独立第二十一旅；左翼作战区司令官陈诚，辖第十五集团军及新编第十九集团军。此时，淞沪战场中国军队已集结兵力达四十余万，均为国军精锐之师。
9月23日拂晓，日军集中约两个联队的兵力向陆福桥至杨家桥第十九集团军第六十六军阵地发起猛攻，一阵重炮轰击过后，硝烟未散，一层层新土裸露出来。弹坑被埋平、山包被削平，再削平。日军即以战车掩护步兵冲锋。双方军队反复肉搏，两军均有重大伤亡，在这一线阻击敌人的是第九集团军。虽号称集团军，其部属孙元良第七十二军（原八十八师）、王敬久第七十一军（原八十七师）、宋希濂第七十八军（原三十六师）整军编制依然仅有一个师兵力；抗战爆发以来转战南北，兵困马乏。中国军队失利，退至江家宅沿蕴藻浜至陈家行，沿杨泾河、广福、孙家宅至施相公庙二线阵地。9月25日，日军以两个师团兵力继续猛攻，30日拂晓抵进陆宅。守卫部队第六十七师一连苦战数昼夜，冒着日军重炮、飞机轰炸和坦克的冲击，誓死不让寸土。阵地被敌人炮火摧毁，他们就将战死的的战友尸体垒成工事，与日军血战，前仆后继，直到最后一人。用武士道精神训练出来的日本皇军，杀人不眨眼，甚至以危急时刻剖腹成仁为最高道德。而此时，他们面对中国军队惊天地、泣鬼神的血战守土精神，惊恐失色。士兵哭泣着哀叹：我们回不去家了。
战局变换，到了关键时刻！
10月1日，日本政府召开四相会议（首相、外相、陆相、海相），决定再次增兵，扩大对华战争。会议形成《处理中国事变纲要》进一步明确“军事行动之目的，在于使中国迅速丧失战斗意志。应采取适当手段使用兵力占据要地。”
1937年10月25日，上海北大门大场镇陷落。
由于中国军队的顽强抵抗，罗店战事呈胶着状态，从侧翼包围中国军队的企图无法实现，松井石根决定改变原计划，实行中央突破。计划攻陷上海市区北大门大场镇，然后进入苏州河一线，切实消灭上海以北之中国军队，再向南翔进攻，以至占领上海。
10月5日起，日军第九师团和新到达作战位置的第十三师团向蕴藻浜地区发动猛攻，遭中国军队左翼作战部队顽强阻击，双方激战四昼夜，各有重大伤亡。中国方面第七十七、第五十九、第九十、第六十七师及第六十六军教导旅不得不撤到后方整补，由后续部队接防。8日，日军强渡蕴藻浜，与守军第八、第六十一师及税警等部短兵相接，重创国民政府军，日军越过蕴藻浜，直犯大场镇。
一场恶战在即！
由于大场镇战事至关全局，第三战区急令第二十一集团军向大场镇增援，并调整战略部署，对日军来犯之敌实施反击。第二十一集团军新组未几日，刚刚从华北战场撤下鞍马未歇，征尘不洗，即投入战斗。不料，第二十一集团军当面之敌正是日军主力。战斗打响后付出重大牺牲仍无所进展。左翼第十五集团军亦未能得手。战斗酷烈为中华有史以来抵御外侮之罕见：每小时阵亡数以千计，伤亡总数达三分之二，旅、团级军官伤亡半数以上，部队不停地补充，而且每次几乎都是整团为单位。
三路军总司令细察战况，决定后撤，报与蒋介石，蒋不允；再报，则严令“有敢擅自撤退者，军法从事”。三路军不敢违命，硬着心执行肉弹战术。24日，日军乘胜进犯大场镇，在敌强大陆、空火力打击下，大场镇中方阵地大部被毁。次日，大场镇失守。至此，中国军队四面受敌，退路极有被切断之虞。
此役，日军伤亡近六万人，亦是日俄战争以来苦战恶斗的最高记录。
然而，情势依然紧迫。
10月26日，日本参谋本部急于在沪方面取得预期战果，决定第三次增兵上海！淞沪之战从8月至10月双方拉锯相持已两个月。在中国军队的英勇抗击下，日军虽已增援两度达六个师团，且拥有大占优势的武器装备，但仍不能尽速解决战局。日军每前进一步都要付出沉重代价。
参谋本部总长闲院宫电报火速抵达松井手中。于是从华北抽调第六、第十八、第一一四师团，国崎支队，独立山炮第二联队，野战重炮兵第六旅和第一、二后备步兵团，组成第十军，计划从杭州湾北部登陆，协助上海派遣军作战。又令第十六师团加入上海派遣军战斗序列。如此，参加上海方面作战的日军兵力达两个军九个师团，比整个华北战场日军的全部兵力尚多两个师团。海军作战力量也有加强，由第三舰队及第四舰队组成“中国方面舰队”，长谷川清任司令官兼第三舰队司令官。
10月29日，蒋介石乘火车，亲赴淞沪战场，召集师以上干部会议，听取战争汇报之后，他慷慨激昂发表讲话：“倭寇扬言三个月灭亡中国，现在打了近三个月，连我们一个上海还没占去。各位统帅所部，努力抵抗，不惜以壮烈的牺牲，给倭寇以绝大的打击。此种为主义、为国家拼死抗战的精神，已经充分地表现出来了。一般外人看见中国军队装备欠缺、武器不良，以为一旦对日作战，必不能抵御侵略。可是我们不但打了，而且坚持住了。近三个月来，我们虽然没有得到大的胜利，但在我们预定的消耗战和持久战的策略之下，已经使敌人受到意外地打击，在精神上我们已实在打败了举世共弃的倭寇！”
1937年11月6日，一只巨型宣传气球升腾飘浮于上海市区外高空。上书：“百万日军杭州湾登陆！”
中国最高军事指挥机关判断失误，增援日军部队几乎未遇任何阻力顺利登陆，淞沪地区中国军队腹背受敌，上海危在旦夕！日寇益愈猖狂。7日，参谋本部将上海派遣军与第十军编组成华中方面军，松井石根被任命为司令官。参谋本部规定其作战目标：“以挫伤敌之战斗意志，获得结束战局的机会为目的，与海军协同消灭上海附近的敌人。”
参谋本部为松井石根划定的作战区域为联结苏州——嘉兴——线以东。但实际上，从松井在东京接受上海派遣军司令官任命时起就私下决定突破上海防线之后，追击南京，逼蒋介石政府作城下之盟！
至此，沪杭铁路已被切断，艰苦鏖战中的中国军队将后退无路。苦战近三个月，在日军强大攻势下，中国军队战线已乱，前线指挥官伤亡严重，已无法控制军队，前线各路指挥几度请求审时撤退，都被蒋介石严辞拒绝。
