9月21日，前线部队的部署也做了调整，以应对作战需要。
第19、第15集团军编为左翼兵团，陈石叟为总司令，下辖3个军团、总预备队及江防军总司令部，共约16个师、4个独立团、1个江苏保安队、2个要塞司令部，作战地域为蕰藻浜以北的广福、罗店、万桥地区。
第10、第8集团军为右翼兵团，张逸斌为总司令，下辖10个师、3个新编旅、3个独立旅、1个岸防部队、1个中央军校教导总队，作战地域为杭州湾北岸至苏州河以南地区。
第9集团军为中央兵团，朱一民为总司令，下辖7个军18个师、1个炮兵旅、1个淞沪警备司令部、1个独立旅、1个上海保安总队，作战地域为庙行、江湾、北站一线及其以西地区。
加上赶赴上海参战的第21集团军及川军刘湘部5个师，国军总兵力已达73个师一共70多万人。
华国军队转入防御后，日军开始发动大规模进攻。9月22日，日军集中主力猛攻固守罗店的左翼兵团阵地，日军昼夜不停，轮番以两个师团的兵力持续冲锋攻击，至24日夜，国军守卫部队第160师、第159师全体阵亡，可见战斗之酷烈悲壮。
第3战区司令长官部认为日军有以主力在宝浏公路两侧地区歼灭左翼兵团的意图，为了保存有生力量，持续消耗日寇，于是命令左翼兵团所属各部交替掩护退入第二道防线固守。
松井石根见从侧翼突破包围华国军队的战略意图无法实现，于是决定改分割包围策略为中央突破，重点进攻蕰藻浜一线国军阵地。
10月1日开始，日寇海军、空军配合地面部队发起新的攻击。
南路集中第101、第13、第9、第3师团强渡蕰藻浜，猛攻南翔、大场，想要切断大场及江湾地区国军与友军的联系，以达到孤立歼灭之目的。
北路则以山室宗武第11师团直扑陈家行、广福。
10月5日至9日，国军第90师、第77师、第67师、第61师、第59师、第8师及税警总团等作战部队相继被迫退出阵地。
9日起，日寇再度集中海军、空军火力，配合步兵强攻蕰藻浜南岸，华国守军拼命阻击，最终攻势被遏止。
10月11日，国军第1军第1师第1旅少将副旅长杨杰奉命率部扼守西塘，战况异常惨烈，敌我双方多次刺刀见红肉搏，战场称为绞肉机，阵地数度易手，国军守卫部队损失惨重。
日寇以猛烈炮火覆盖，阵地陷于敌手，杨杰亲自率预备队反攻，不幸身中数弹，壮烈殉国，时年仅42岁，这是淞沪会战牺牲的第4位少将。
10月15日，日军突破蕰藻浜，整体战局再度恶化。
10月19日，华国守卫蕰藻浜南岸的国军，配合廖磊第21集团军发动全线反攻。
当日，日军伊东政喜的第101师团、吉住良辅的第9师团以及第3师团一部，亦向蕰藻浜南岸发起对攻。
10月23日，第7军170师510旅旅长庞汉桢接替517旅守卫陈家行北端至谈家头一线，阵地被火力占优的日寇占领后，率部在夜间反击，国军付出惨重的代价成功夺回阵地。
日军用猛烈的炮火覆盖国军阵地，再次发动猛攻，庞汉桢少将不幸中弹，壮烈殉国，时年仅36岁，国民政府追授其为陆军中将。
第7军171师511旅少将旅长秦霖奉令驻守毛宅至湾宅一线阵地，不顾日军猛烈的炮火，亲临前线奋勇作战，打退了日寇一次又一次的进攻，10月23日，友军阵地被日军突破，511旅两面受敌，秦霖奋不顾身，率部冲入敌群展开残酷的肉搏战，不幸被子弹击中头部，壮烈殉国，时年38岁，国民政府追授其为陆军中将。
激战至25日，国军被迫撤退，左翼兵团4个团在广福南侧向北路日寇发动反击，被日寇击退，日寇乘机反攻，兵锋直指大场。