天亮以后，日军在装甲车的掩护下，连续发起猛攻，日机也从航空母舰起飞，对闸北、南市一带狂轰滥炸，战火迅速漫延。守军第156旅所部，顽强抗击日军的进攻，以集束手榴弹对付日军的装甲车，组织敢死队以潜伏手段炸毁敌装甲车，坚守每一阵地，并在炮火掩护下适时向敌实施反击，打退日军的连续进攻。据日军自供：“战斗极为激烈”，“市街到处起火，火焰漫天，战场极为凄惨”。在北站及商务印书馆两处起大火后，日军趁机向北站猛攻，守军与日军激战1小时后退出北站。29日17时，第156旅主力加入战斗，进行反击，夺回北站及天通庵车站，并乘胜追击，一度攻占日军上海陆战队司令部，迫使日军退至北四川路以东、靶子路以南地区。日军首次进攻以失败而告结束。
1月30日，佐世保第3特别陆战队在上海登陆。2月1日，横须贺第1特别陆战队亦开抵上海。2月2日，日本海军中央部将长江一带原有海军及新增调的舰船编成第3舰队，由海军中将野村吉三郎任司令官，统一指挥进攻上海。
第19路军也调整了部署，将原驻镇江以东的第60师调至南翔、真如一带，第61师调上海。原驻上海的第78师全部加入前线，增强防御。
2月2日，日军再度向闸北发动进攻，同时又以军舰20余艘、飞机十余架轰击吴淞炮台。中国守军在闸北地区击退了日军的新进攻，但伤亡较大。3日晚调第60师第120旅接替闸北防务；宪兵第16团担任曹家渡、中山路警戒；第156旅撤离闸北，其第5团增援吴淞，第6团撤至金家角地区休整。
2月4日，日军发动第一次总攻，以数千人分三路会攻闸北，数百人攻击八字桥。但在中国守军的顽强抗击下，日军承认“进展不易”，被迫于午后撤回原进攻出发阵地。同日11时，日军以军舰13艘、飞机24架猛烈轰击吴淞要塞。至13时，要塞炮6门被毁，炮台守备营被迫后撤，日军乘机在吴淞要塞登陆，但旋即被增援吴淞的第156旅击退。
5日，日军再次进攻闸北，守军顽强战斗，阵地失而复得。日海军陆战队于16时停止攻击，撤回原阵地。日军发动的第一次总攻被粉碎。
上海是当时亚洲最国际化的大都会，19路军的英勇抗日，立刻惊动了国际社会，外国舆论开始对中国守军的反击充满了佩服与惊讶。
而日本海军在开战前，对于自己的战斗优势，有着绝对的信心与把握。他们认为，南京的国民政府已经失去指挥部队的能力，蒋介石下野又不在职务上，中央军大部分仍在江西苏区与红军作战，还有部分部队策应华北的局势，因此根本无法调军救援上海，以日本海军陆战队的兵力来对付疲弱的19路军，绝对会一战功成，而能与关东军的胜利相媲美。日本在上海的海军指挥官盐泽幸一少将，曾狂妄地表示，日军只要四个小时就可以踏平上海的闸北。然而，盐泽做梦也没有想到19路军以陈旧的武器、有限的火力、旺盛的士气与无畏的热血，给予入侵闸北的日军迎头痛击。盐泽幸一本人因指挥失败，被撤职回国。
日军第3舰队司令官野村吉三郎中将接任上海日军总指挥，并调植松炼磨少将任海军陆战队指挥官。日本海军陆战队在中国第19路军的顽强抵抗下，进攻屡遭失败，不得不向陆军求援。日本陆军中央部即调派陆军第9师和混成第24旅增援上海作战。
野村吉三郎接任上海日军总指挥以后，决定改变进攻闸北的计划，以主力会攻吴淞，同时以一部兵力进攻江湾，企图从守军左翼突破。
增援上海的日军混成第24旅，于2月6日在佐世保集中起航，驶向吴淞口。吴淞是上海的门户。为掩护该部登陆，从7日7时50分开始，日军集中全力进攻吴淞。先以飞机10架沿淞沪铁路线轰炸中国守军阵地，继以陆战队分由黄浦江、军工路水陆两路至张华浜会合，于10时猛攻吴淞地区中国守军第156旅第4团阵地。同时集中军舰24艘、火炮30余门、飞机20余架，对蕴藻浜车站、吴淞镇、狮子林炮台实施轰击，配合地面进攻。守军浴血抗击，战至12时，将日军击退。
日军混成第24旅于7日14时许抵达吴淞，并在上海陆战队掩护下在吴淞铁路码头强行登陆。第19路军曾对登陆之敌实施炮火袭击，但效果不大。至18时，日军登陆完毕，在徐家宅附近集结，作进攻吴淞炮台的准备。
8日拂晓，日军混成第24旅分三路向张华浜、蕴藻浜、吴淞镇进攻。日海军司令部发言人于10时向美驻沪记者扬言：日军决在午前占领吴淞。至傍晚，日军攻击达十余次，均遭失败。23时许，日军向引翔港、杨树浦、狄思威路退却。日军在进攻吴淞的同时，以一部兵力在纪家桥偷渡，企图袭击守军后路，被守军发觉击退。另以一部兵力向八字桥、江湾进攻，企图攻占江湾、大场，截断守军吴淞与闸北之间的联系，阴谋亦未得逞。10日，中国守军第122旅第6团由刘家行进至杨家行，防守胡家庄沿蕴藻浜北岸至吴淞之线。请缨赴援的张治中第5军第87师第261旅于12日由南翔进至嘉定，并派一个团接替罗店第122旅第4团之防务。
12日，日军混成第24旅为在蕴藻浜北岸夺取进攻吴淞的支撑点，两度在纪家桥附近架桥，均遭失败。12日晚，日军利用夜暗在纪家桥附近架桥成功。13日拂晓，日军在烟幕弹掩护下强渡蕴藻浜，在曹家桥附近突破守军防线。第19路军急调第60师第122旅增援，将渡河日军包围。日军数次突围均遭失败，双方展开肉搏格斗。下元旅长急调一部日军救援。被围日军在其救援部队接应下拼力突围，但仅有少数突围后被救援部队收容后撤，大部被歼。同日，日军在江湾、闸北地区亦以一部兵力进攻。14日拂晓，日军再各以一部兵力分别进攻江湾、八字桥、青云路、天通庵路等处，均被守军击退。至此，日军已无力组织新的进攻，被迫原地固守待援。野村企图从几路包抄吴淞中国守军的计划，终被粉碎。
面对不利的战局，日军参谋总长闲院宫载仁根据日本天皇敕令，急令陆军第9师火速增援上海。13日，该师师长植田谦吉中将与第1梯队抵达上海港。此时，在沪日军已达3万余人，野炮近70门，飞机60余架，并有舰艇数十艘集中于吴淞口。
18日9时，植田通过英国公使兰浦森的斡旋，以参谋长田代皖一郎少将在法租界中日联谊社与第19路军代表范其务参议会见，要求第19路军撤退，当即遭范拒绝。植田在当日下午向第19路军军长蔡廷锴发出最后通牒。村井仓松也向上海市长吴铁城发出了同样的通牒。
第19路军收到日军的通牒后，立即召开了高级军官会议，与会者群情激奋，怒不可遏。指挥部立即令前线部队集中炮火向日军阵地猛轰，作为对植田通牒的回答和警告。
此时，由张治中将军率领的第5军已全部赶到淞沪地区，归第19路军蒋光鼐统一指挥，参加对日作战。中国军队在这一地区的防御力量增强了。第19路军重新调整部署，由第5军接替由江湾北端至吴淞西端之线的防务，并任命张治中为左翼军指挥官，全面负责左翼地区的作战指挥。由第19路军担负江湾及其以南至南市之线地段的防御，以蔡廷锴为右翼军指挥官，统一指挥右翼地区的作战，并限于18日拂晓前完成全部调整。张治中发表《告全军将士书》，对第5军进行动员，表示：“誓与我军将士共患难，同生死。深望我军将士，人抱必死之心，以救国家，以救民族。假如日军犹有一兵一卒留我国内，我们的责任即未完成；反之，我们如尚有一兵一卒，必与敌人拼命到底！”
植田谦吉预料到第19路军不会接受其最后通牒，因而不待答复即于19日16时下达了进攻命令，以主力攻击庙行、江湾一线，企图将该地守军消灭于苏州河以北地区。
20日7时30分，日军从正面向闸北至吴淞发起全线进攻，主攻方向为江湾、庙行，企图从中国守军阵地中央突破，而后卷击吴淞、闸北。日军混成第24旅在飞机、重炮支援下，向庙行镇方向攻击。守军第88师奋勇抗击，战至16时，日军仍滞留于中心巷、金家宅、孟家宅地区无法前进。日军第9师右翼队和中央队在坦克及炮兵支援下，猛攻江湾镇。守军沉着应敌，战至18时，挫败了日军的进攻。入夜，日军调整部署，21日再度进攻，仍无进展，且在守军火力杀伤下伤亡惨重。日军只得以一部兵力监视守军阵地，停止攻击。
不甘心失败的植田拼凑力量，调整部署，再次组织全线进攻，以求部分突破守军阵地，挽回败局。22日拂晓，日军混成第24旅第一线部队乘晨雾于6时前突入庙行镇东端第88师第264旅第527团第3营阵地和麦家宅及其南侧坟地一带。守军第88师将全部预备队投入战斗，但未能将其击退，且伤亡较大。日军突破一点后，乘机扩大战果，妄图动摇全线防御。在此十分危急的时刻，左翼军指挥官张治中当机立断，亲率军预备队（中央军校教导总队）急赴冯家宅第88师司令部指挥，除令第88师坚守阵地阻敌扩张外，令第87师第259旅向庙行镇正面增援，令第261旅以火力支援。具有坚定抗日决定和初步对日作战经验的第19路军指挥部，判断经过数日激战伤亡惨重、止步不前的植田，在未得到新的增援之前，他的所谓全线进攻和突破，是可以粉碎的。总指挥蒋光鼐于9时决心由江湾镇、庙行镇、蕴藻浜3个方向同时实施反突击，合围歼灭庙行镇之敌。令第60师在闸北至江湾间实施佯攻，以牵制日军；令第19路军预备队第61师第122旅（欠第6团）由小场庙、竹园墩向赵店宅攻击当面日军之侧背；令第87师第259旅加入庙行镇正面与第88师同时从正面实施攻击；令第87师第261旅以主力由蕴藻浜渡河向金穆宅进攻日军侧背。至15时左右，各部到达出击位置，即全线向日军展开反突击。
第60师由宝山路、天通庵路、中山路向日军实施佯攻，牵制日军；第61师第122旅（欠第6团）由大场镇西南向前开进，17时即从小场庙、竹园墩地区与第88师部队协同向当面日军反击。17时30分，进占赵家宅西端地区，发现日军纵火焚烧房屋，有退却征候，第122旅即以一部追击，至23时占领孟家宅。第87师第261旅按命令南渡蕴藻浜侧击日军，先后攻占北孙宅、陆家桥、西港、南孙宅，与占领孟家宅之第61师部队相连接；第87师第259旅加入庙行镇正面战线后，与第88师待两翼反突击部队进到日军侧背后，即实施反击。至此，进攻庙行镇的日军全部陷入反突击部队的包围之中。