此时在宁沪一线，我方已经完成了对日战备的基本设施。按照“京沪警备区”警备司令张治中的建议：中日开战之后，上海必然是战场之一，我方不能重演九一八、一二八被动挨打的教训，应在敌方发动战事以前，主动出击进攻，彻底摧毁日军在沪军事据点，然后封锁海岸，确保宁沪安全。他的这一战略设想得到了最高当局的同意。为此张治中还进行了一些实际备战工作，如曾组织5个师的演习，模拟阻击日军登陆；1936年底他又组织军事参谋人员到苏州、常熟、太仓、浏河、吴淞一带进行考察与布置，同时进行了一些组训民众工作；宁沪铁路沿线各火车站也进行了军运准备。七七事变后，张治中又提出了立即封锁长江水道，围歼长江上游日舰的设想，这一作战计划受到了蒋介石的高度重视。他下令立即召开最高军事会议，部署堵塞长江下游水道的实施工作，并立即执行。这一计划的目的是要让在武汉附近长江中游江面上游弋的日本军舰统统成为瓮中之鳖，然后以江岸火炮消灭之，给日本海军以迎头痛击。
会议只开了半天，就匆匆结束了。当与会者急切地赶回各部准备实施作战计划时，他们万万没想到，那位担任会议纪录的行政院秘书黄浚——汪精卫的亲信之一，已经将会议纪录缩拍成一小卷胶片，暗藏在礼帽之中带了出去。
位于南京闹市区新街口附近的心心咖啡馆。
一位绅士模样的中年男子，随意走进大门，将头上礼帽取下，挂在门边衣帽钩上，走进去在桌边坐下，他要了一杯咖啡，漫不经心地喝起来。不一会，一个秃头顶的人走进咖啡馆，也将手中礼帽挂在衣帽钩上，两顶颜色质地几乎一样的帽子并排挂在一起。那秃顶进屋转了一圈，好像在找什么人，之后很随便地走了出来，顺手摘下那中年男子的礼帽，走出门去。他一走，那男子也站起身来，非常自然地拿起秃头留下的礼帽，戴在头上，推门而出。
一小时后，一份急电从南京城内某个秘密电台发向上海日本海军陆战队本部：“极密。中方正在实施长江堵塞计划，准备围歼我舰队于长江之中，请立即部署应变计划。”
数小时以后，停泊在宜昌、武汉、九江等地的日本军舰纷纷生火启航，以最快的速度东行，顺长江江流而下，日本商船夹杂其中，一起向上海方向快速逃逸，他们甚至以枪炮威逼裹胁中国民船在左右两翼为其护航，以防中国江岸炮兵的轰击。不久之后，这些日舰以及载运的驻汉口日本海军陆战队已齐集黄浦江面，大大增强了驻沪日军的兵力。
蒋介石对封江计划之泄密非常恼火，他把戴笠叫来，拍桌大骂，命令军统组织立即肃清日谍，保护抗战大本营。戴笠领命不敢怠慢，经过几天连续侦察，终将秘密叛国投日之黄浚父子一齐逮捕，蒋介石在报告上以红笔疾书八个大字：“卖国求荣，一律枪决。”这对祸国的汉奸父子得到了应有的下场。
第一计划的失败并不能动摇蒋介石在上海开战的决心，他一边指示上海市政府与驻沪日军交涉“虹桥事件”，一边下令驻宁沪杭地区各部队，紧急动员，向淞沪地区集中。
8月11日下午，上海市市长俞鸿钧在市政府接见了日本驻上海总领事冈本季正。冈本首先质问中国政府对于“虹桥机场事件”的态度，其次提出两点要求：（一）将上海保安队撤退；（二）将保安队已筑工事悉数拆除。中国方面对此无理要求坚决予以拒绝。俞鸿均回答冈本：中国政府必将此事照外交方式解决，但日尚在交涉之际即大举增兵上海，这就是赤裸裸的威胁。然而，“我方抱定方针非威胁可改变”。冈本威吓无效只好退出。次日下午，有各国代表参加的“淞沪停战协定委员会”在租界工部局召开会议，俞鸿均在会上痛斥日方要求中国撤军之荒谬，他声明：“惟我国军队在本国领土行动有绝对自由之权，此则未容他人置喙”，并提出以日方先撤兵为让步条件。冈本对此不能回答，会议仍以无结果而告终。俞市长将交涉失败结果电告南京，蒋介石决定立即在上海开战，采先发制人策略，争取战争主动权。
8月11日晚，国民政府军事委员会下达如下作战命令：“张司令官治中率八十七、八十八师于今晚向预定之围攻线挺进，准备对淞沪围攻。”8月13日凌晨，蒋介石下令张治中发动总攻击，意图实现“赶敌下海、封锁海岸、拒敌登陆”的作战计划。同时，决定将第五十六师主力、第五十七师的一部及独立第二十旅向前推进，采取逼向南下在长江方面作战的敌之侧面的有利态势。
中国军队源源不断开赴上海战场。张治中所率领的参加过一二八战役的部队士气高昂，进入南翔指挥所的一些士兵甚至拒绝下车，要求一直开赴前线参战。中日双方剑拔弩张。
13日上午9时许，在中日两军对峙的前沿阵地，一小队日军打着日本海军的“米字太阳旗”冲出阵地，又向我军挑衅。张治中司令立即命令我军全线出击，实行围歼计划。我方炮兵射出成排炮弹，飞向日军阵地，士兵们跳出战壕，向日军猛扑过去，气壮山河的八一三淞沪抗日战役终于打响了。
8月14日，中国政府发表《自卫抗战声明书》，宣布“实行天赋之自卫权”。
连日来，蒋介石为淞沪前线的战况所牵挂，寝食不安。8月18日，他特派亲信陈诚、熊式辉赴沪视察战况。20日，陈、熊二人回到南京向蒋介石报告战况。
蒋介石急切地询问到：“辞修，上海战况如何？”
陈诚回答说：“战事进展顺利，已经将虹口日本海军陆战队本部包围，但因为我军缺少重炮坦克，而日军工事牢固，一时仍难以攻克。日军现在采取的是固守待援战术。据探报，载运大批日本援军的轮船现正在海途中。如我军不能在短期内将日军据点攻克，敌援军一到，战事将持久扩大。”
蒋介石又问：“北方战事如何？对上海战局有何影响？我想听听你的意见。”
陈诚说：“感谢委员长信任。依我之见，日军在北方决不会因占领了平津而罢休。现在他们正在围攻南口，势在必得，从而继续敲开攻击山西之大门。而我方则决不肯轻易放弃，必将死守。这样北方战场战事扩大已是无可避免之事。如果日本人在华北得势后乘胜攻下山西，然后必定会利用其快速装备运兵，由平汉路南下直扑武汉，堵截我中央大军及国民政府向西之退路，给予包抄，这样形势于我将大为不利，十分危险。眼下之计，我们不如乘势扩大上海战事，利用我方有利条件，吸引日军主力南下，有力地牵制北方日军的力量，减轻山西的压力，使日军被我们牵着鼻子走。”
蒋介石闻言大喜，连声说：“好，好，一定在上海打。”
陈诚说：“如果决定大打，须再向上海增兵。”
蒋介石说：“这样吧，辞修你再辛苦一趟，出任第十五集团军总司令，率部赴沪增援。”
“是，请委员长放心，我一定不辜负期望。”
8月20日国民政府军事委员会将全国划分为5个战区，下达了如下作战方针：“国军一部集中华北持久抵抗，特别注意确保山西之天然堡垒。国军主力集中华东攻击上海之敌，力保淞沪要地巩固首都。另以最少限度兵力守备华南各港口。”
根据这一指示，张治中将军指挥淞沪围攻部队向虹口、杨树浦之敌多次发动猛攻。战役初期进展较为顺利。中国军队当天便夺回了八字桥、持志大学、沪江大学，以后几天又相继克复五卅公墓、爱国女校、日本海军操场等地。不久又克复日海军俱乐部，冲入日本坟山，但由于日军核心阵地经过长时间经营，工事异常坚固，而中国军队缺乏重型武器，不能将其一举摧毁，中国士兵虽英勇作战猛烈进攻，但死伤惨重，终不能克，仅八字桥法学院一处便牺牲达一营之众。日军守兵依据坚固工事及海军火力掩护，死守待援，战事呈胶着状态。
当时，由于日本空军在我国国内尚无基地，远征上海距离过长，不能对我国军队构成威胁，而我方海空军却得以发挥所长，连续出动，对上海日本守军据点及泊沪日本军舰进行轰炸，海军封锁长江江阴水道并堵塞航道，防止日舰西上。中国空军一举炸伤日本第三舰队旗舰“出云号”，并连续在空战中击落日机42架，取得了辉煌的战绩。21日，国民政府军事委员会根据战况发展，又发布了新的作战指导计划：“国军以一部集中华北，重叠配备，多线设防，特注意固守平绥路东段要地，最后确保山东、山西，力求争取时间，牵制消耗敌人，以主力集中华东，迅速扫荡淞沪敌海陆军根据地，阻止后续敌军之登陆，或乘机歼灭之，并以最小限兵力守备华南沿海各要地。”这一方针的基本意图是在上海战场集中主力部队，直接歼灭上海日军，阻止其援军登陆以保护宁沪安全。从此，长江以南国军停止北调，纷纷向淞沪战场增援，中央军及广东军、广西军陆续派出主力军赴沪。8月底，在陇海线东部机动待命的胡宗南部第一军以及已由汉口向保定输送、先头部队已抵郑州的第十八军奉命转向华东战场南下增援。同时，中方援军第三十六师加入第八十七、八十八两师之间，会同向汇山码头发起总攻，并一度冲入码头。但因进展过快后援难继，又遭敌海军炮火轰击，伤亡2000余人并失去联络，混战之后于22日被迫撤回原阵地。这次攻击的失败，使整个战役失去了全歼驻沪日军完成原定任务的可能。
8月23日，日本特遣舰队载运大批援军及大量作战武器装备抵达上海，在吴淞、狮子林、川沙口等处强行登陆，攻击中国军队之侧翼，造成直接威胁。我军前线指挥部遂被迫决定停止正面攻击转而分兵对付侧面的敌援军部队。
9月6日第三战区司令长官部颁发《第二期作战计划》，决定“战区以持久抗战之目的，限制登陆之敌发展，力求收各个击破之效。各个击破不能达成时，则依状况逐次后退于敌舰射程外之既设阵地，施行顽强抵抗，待后方部队到达，再行决战而取最后胜利”。遵照这一方针，自8月上旬至9月中旬，淞沪战场中国部队及其陆续开到的大批后援部队总计约70万人在地域狭窄、水网密布的淞沪三角地带，与不断登陆的日军开展了一场空前激烈的搏斗。虽然中国军队在付出巨大牺牲之后一度收复罗店、宝山，并击退进攻之敌，但装备精良的日本军队在强大海军火力支持下不断登陆，我守军粮弹兵源供给不上，逐渐陷入被动。守卫宝山的九十八师五八三团第三营，在姚子青营长带领下与数倍于我的日军搏死战斗，日军久攻不克，竟向城内发射大量硫磺弹引发大火毒气弥漫全城。姚营长最后发电给师部表示：“誓死本与敌皆亡之旨，固守城垣，一息尚存，奋斗到底。”他与全营将士在巷战中全部殉国，宝山这才陷落敌手。
由于中国军队的顽强作战，日军刚登陆的两个师团陷于苦战之中，先后伤亡了4千余人却不能攻克上海。8月底，日本上海派遣军司令部与第三舰队司令官不得不再次急电东京求援。9月6日，日本大本营“决定增派第九、第十三、第一○一师团及台湾守备队到上海”，并从华北战场上抽调步兵10个大队及炮兵、工兵等部队火速赴上海增援。上海从此成为中日战争之主战场。虽然这在客观上达成了我方的战略计划，但在实际上却给淞沪战场我军造成了极大压力。日军凭借强大火力，以摧毁中方防线占领上海为目的，发动连续猛攻，而我方军队持久鏖战损失过大，士兵们在敌人疯狂炮火之下“每小时死伤辄以千计”，军力逐渐不济，这样整个淞沪战局开始发生不利于我方的变化。
9月底，随着七十七师阵地被日军突破，我军左翼防线各部队被迫后撤第二线阵地。
10月1日，日本内阁首相召集外、陆、海各相会议，制定了《处理中国事变纲要》，决定进一步扩大侵华战争，“为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”。上海日本派遣军随即改变部署，以中央突破战术攻陷大场，进攻南翔。中国守军第七十七、五十九、九十、六十七各师久战疲惫，后撤休整。第三战区下令新增援之四十八军、六十六军、九十八师等部重新组织攻击，但因正面日军兵力及火力已得到充足补充，这次总攻付出重大代价而不能奏效。10月21日，中国军队全线停止进攻而转入防御态势。
日军以6个师团主力从正面向中国守军猛攻，25日攻占大场，我中央作战军四面受敌，即将陷入重围，遂被迫后撤至苏州河南岸、江桥镇、小南翔一线。为掩护主力撤退，第八十八师五二四团一营官兵在副团长谢晋元带领下坚守闸北四行仓库，孤军作战，使日军主力不能向前推进，立下了卓着战功。
四行仓库楼高墙厚，我四行守军凭借坚固工事顽强击退了日军一次又一次疯狂进攻。日军恼羞成怒，派出大批坦克及装甲车，掩护步兵攻击，摧墙毁屋。我守军缺少反坦克炮及重武器，士兵们为了阻挡日军，在身上挂满了手榴弹，纵身扑向日军坦克，一声声巨响之后，日军坦克变为了一堆堆废铁，而我英勇的战士也光荣地为国捐躯，献出了他们年轻的生命。
天黑了，四行阵地上枪声渐渐冷寂下来，原本高插在仓库楼顶上的我军旗帜，已被白天猛烈的战火烧毁。在苏州河对岸，女童子军队员杨惠敏将国旗藏在身上，冒着生命危险潜泳渡过苏州河，给四行守军送来了国旗。第二天清晨，在淡淡的晨曦之中，中国国旗又在四行上空高高飘扬，我军官兵们被杨惠敏的勇敢行动所鼓舞，个个勇气倍增。
