植田谦吉得知混成第24旅被围后，急令师预备队（步兵第7团）及吴淞支队一部救援。日军混成第24旅在救援部队配合下，仓皇突围逃窜，第19路军反突击部队与日军展开白刃近战，战斗之惨烈为开战以来所未见。经数小时激战，日军大部侥幸乘夜间突围逃窜，一部被包围歼灭于金穆宅、大小麦家宅一带。日军全线进攻破产。第9师对江湾地区的攻击，在守军的英勇抗击和反击下，只得虎头蛇尾，草草收场。据日方资料统计，此次战斗，日军伤亡800余人，第19路军（包括第5军）伤亡达1000余人。
22日夜，守军恢复原态势。第88师因伤亡过大，于23日撤至庙行镇西南一带休整，其防务由第61师3个团和第88师独立旅一个团及第87师第259旅接替。
第19路军的反突击，是一次组织与实施都很成功的战役行动，是第19路军指挥果断、作战英勇、官兵团结奋战的结果。中外报纸给予中国守军高度评价，一致认为，庙行之役是淞沪抗战中战绩的最高峰。
日军于22日惨败后，一面请调援军准备再次总攻，一面调整部署进行局部进攻。2月25日，日军改用重点进攻突破一点的战术，以第9师主力在飞机、炮兵支援下，分三路同时向江湾、小场庙、庙行猛攻。在小场庙正面，日军进攻兵力约1万人，并以50余门火炮支援，10时许，日军突破金家塘阵地。12时许，守军增援部队分三路反击，一路由江湾镇向敌左翼反击，一路由庙行镇向敌右翼反击，另一路从小场庙向敌正面反击，形成包围之势。血战至晚，日军受创突围败退，我守军恢复原阵地。是夜，第19路军总指挥部决心于当夜全线出击，以歼灭大沈宅附近地区日军第9师主力。这时，忽然接蒋介石电令：“第二次决战之期，约在艳（29日）东（1日）各日，我军后方援队，全已运来前线，其他非到鱼（6日）日不能参加战斗。务望于此数日内，尽量节省前线兵力，抽调部队厚集各地区预备队约在总兵力二分之一以上之数，方得应战裕如，不致临时竭厥。”蒋光鼐接此电令后，遂令停止实施出击。26日拂晓，守军为改善防御态势和收缩兵力，主动放弃突出的江湾阵地，退守金家塘至竹园墩之线。27日下午，日军进占江湾镇。
早在2月22日，在中日双方激战，日方久攻不下的情况下，野村吉三郎就向日军统帅部发出急电，切盼迅速增援重兵。2月23日，日本内阁会议通过了陆相荒木贞夫关于增兵上海的提案，决定再调两个师，以最快的方法“解决上海事件”。日本陆军中央部于是决定动员和编组上海派遣军。24日，下令组成上海派遣军司令部，以前陆相白川义则上将为司令官，指挥第11师、第14师迅速驰援上海日军，并指挥前已派遣到上海的第9师所辖的部队。
白川义则和厚东笃太郎首先率领第11师先遣部队，于29日7时抵达上海长江口停泊。白川在听取了原已在上海的参谋长田代皖一郎少将的情况汇报后，于当日上午10时下达了作战命令，其要点是：第9师夺取张家桥、夏马湾一线，在策应第11师登陆的同时，准备好下一步攻击大场镇附近之敌；第11师主力在七丫口附近登陆，然后应尽快占领浏河镇，并准备攻击大场镇、真如镇方面之敌；海军第3舰队及海军飞机配合陆军作战。白川的作战企图是以第9师在庙行镇方面继续实施正面进攻，以派遣军的主力第11师在浏河方面登陆，迂回守军侧背，截断京沪铁路，瓦解中国守军的抵抗。
在多次增兵以后，白川统率下的上海日军已达7万余人，飞机约150架（另有海军飞机160架）和海军第1、第3舰队。此时，中国第19路军（包括第5军）总兵力只有4万余人，并已相对减弱，右翼军损失约1/3，左翼军损失约1/4，防守线绵延50余公里，武器损耗极大，仅正面防守就感兵力薄弱。而浏河地区为守军防御阵地的左侧后，对整个防御安危关系极大。日军如果在这里占领桥头堡，则左翼的中国军队将会陷于腹背受敌的危险态势之下。守军亦曾拟增兵防守，但因兵力不足，多次急电求援，蒋介石仅令“固守”，“加强戒备”，却迟迟不发兵增援。第19路军无法兼顾正面与侧翼，只能集中兵力防守正面战线的真如至杨家行地段，以阻止日军从江湾方面突破。浏河方面，在七丫口、杨林口、浏河及小川沙一带约20公里的沿江防线，仅有中央军校教导总队一个连及少数义勇军担任警戒。
日军为掩护其主力第11师在浏河方面登陆，在庙行镇方面实施猛烈进攻，以便紧紧拖住第19路军主力，使其难以向第11师登陆方面转移。同时又在多处实施佯攻，特别是在闸北八字桥、天通庵路等地展开频繁进攻。在天通庵路附近，双方激战持续达8小时之久，第60师不断派敢死队跃出战壕，短兵相接，迫使日军退向狄思威路。闸北八字桥形成拉锯战，守军阵地三失三得，伤亡很大，日军伤亡也极为惨重，团长林崛上校被击毙。
3月1日6时30分，日军对淞沪地区发起全线攻击。日军首先以飞机、炮兵连续轰击守军阵地3个半小时，然后步兵在坦克、装甲车掩护下发起攻击。第9师、混成第24旅和海军陆战队向庙行、江湾以西、闸北八字桥一线进行猛攻，同时以舰炮袭击狮子林、杨林口、七丫口等处。7时许，又出动飞机轰炸大场镇。守军在优势日军总攻之下，虽阵地多次被日军突破，但仍顽强与敌反复争夺。
正当第19路军和第5军与日军胶着在整个正面战线顽强奋战之时，日军第11师从3月1日6时开始，分别从七丫口、杨林口和六浜口登陆。警戒浏河地区的中央军校教导总队一个连及少数义勇军，在登陆日军强大炮火和步兵攻击下，仍然以寡敌众，顽强抵抗。第19路军总部急调第87师第261旅驰援，但因缺乏运输工具，加之沿途遭日机轰炸，直至18时，才有一个团赶到浏河。此时浏河已沦入敌手，日军正向嘉定方向急进。
浏河危急之时，第19路军已无机动兵力可以增援，遂请求军政部速派两师兵力驰援浏河。国民政府不但不调兵增援，反而下令不准海军、空军配合19路军作战。在兵力得不到增援、弹药得不到补充的极端困难条件下，浏河失陷已在必然，这使守军侧面及后方均遭严重威胁，不得已于3月1日晚全军退守第二道防线（即黄渡、方泰、嘉定、太仓之线）。
第19路军的撤退是主动的有计划的行动，是向新防御地线的转移，始终保持着战斗的韧性。正如美国记者埃德加·斯诺所说：“出乎许多人意料之外，这次撤退并不是溃败……和我谈过话的外国军事观察家全都称赞蔡将军指挥这一有秩序的战略撤退很能干，在战术上也很正确。在所有能移动的大炮都撤走以后，部队才撤出前线。几乎没有发生抢劫和混乱。撤退进行得这样安静，掩护得这样巧妙，闸北的日本海军到天亮才发现敌人已经离开，他们整夜炮轰的已是空的战壕和工事。”
3月2日，第19路军向全国各界发出退守待援的电文：我军抵抗暴日，苦战月余，以敌军械之犀利，运输之敏捷，赖我民众援助，士兵忠勇，肉搏奋斗，伤亡枕藉，犹能屡挫敌锋。日人猝增援兵两师，而我以运输艰难，后援不继，自21日起，我军日有重大死伤，以致倾全力于正面战线。而日人以一师之众，自浏河方面登陆，我无兵抽调，侧面后方，均受危险，不得已于3月1日夜，将全军撤退至第二防线，从事抵御。本军决本弹尽卒尽之旨，不与暴日共戴一天。
日军发现中国军队全线撤退后，于3月2日占领了闸北、大场、真如，3日进抵南翔。白川根据3月1日日军参谋总长闲院宫载仁发出的指示，同时根据国联将于3月3日在日内瓦召开大会的情况，为在国联开会前停止作战，乃令日军停止追击，并于3月3日发表停战声明：“只要中国军队不采取敌对行动，我军将暂时原地不动，停止战斗行动。”3月3日，国联开会决定，要求中日双方停止战争。至此，淞沪战事乃告结束。
据不完全统计，中国第19路军与第5军的官兵牺牲4270余人，负伤约9830余人。市民被日军飞机大炮狂轰滥炸死亡6080余人，伤2000余人，失踪10400人，共计损失16亿元的财产。尤其令人发指的是，战争一开始，日军就出动飞机有目的地对上海商务印书馆、东方图书馆等文化部门进行滥炸，使中国最大的、历史最悠久的出版机构——商务印书馆全部被烧毁。东方图书馆所收藏的数百万卷书籍资料，包括“涵芬楼”所藏的十多万册宋版、元版的珍贵古籍图书和清乾隆年间缮写的四库全书，先被炸毁焚烧，后又被日军劫掠。据当时的新闻报道，日军以卡车抢运烧剩的书籍达7天之久。
在侵略上海的战争中，据日方资料：日军陆军战死620名，负伤1622名；海军战死149名，负伤700名。另外，4月29日为日本的“天长节”，上海日本军事当局为给日本天皇祝寿并显示军威，在上海虹口公园举行阅兵式，日本驻上海军政要员全部参加。朝鲜独立党党员尹奉吉向主席台投掷炸弹，日本上海派遣军司令官白川义则上将、第三舰队司令官野村吉三郎中将、第九师师长植田谦吉中将、驻华公使重光葵、驻上海总领事村井仓松被炸成重伤，其中白川义则于5月26日死于医院。
在“一·二八”战火熊熊燃烧起来之后，国际强权国家担心战事扩大会妨碍到他们在上海的商业利益，因此纷纷介入调停。日本眼见“满洲国”已经炮制成功，也不想与国际社会完全决裂，而在上海的作战又不顺利，因此愿意接受停战。而国民政府知道自己的实力仍然无法进行抗战，也需要国际社会的支持，因此也就同意与日本签订停战协议。
但在谈判中，日方在日军撤退的时间、区域和中国驻军区域问题上，一再无理纠缠，虽经多次谈判，均无结果。后在英国公使及国联十九国会员委员会的斡旋下，停战会谈重开。5月5日，中日双方代表在上海英国领事馆签订了《中日上海停战及日方撤军协定》。除协议正文外，会议记录中还有对中国最致命的所谓三项谅解：一是中国政府同意取缔全国的抗日运动；二是第19路军换防，调离上海；三是中国同意在浦东和苏州河南部，以及龙华对岸之若干地区不驻扎中国军队。
《上海停战协定》是国民党政府对日妥协、退让的产物。国民党政府不敢追究日本进犯上海的侵略罪责，并由其赔偿损失，反而使中国丧失了在上海及其周围的驻军权，并让日本帝国主义在上海的势力空前扩张。根据协定的内容，中国实际上承认日本帝国主义军队可以长期留驻吴淞、闸北、江湾及引翔港等地，而中国军队却不能在上海周围驻扎设防。且所谓“常态恢复”“毗连地点”之规定，日军均可以任意借口加以解释。协定还在“共同委员会”的名义下，把从长江沿岸福山至太仓、安亭及白鹤江起直到苏州河止的广大地区，划给了日本及美、英、法、意等帝国主义共管。协定第一条中“关于停战情形，遇有疑问发生时，由与会友邦代表查明之”的规定，表面上好像对中日双方不偏不倚，但实际上却规定了在中国领土上实行的停战发生疑问时，中国方面竟无权调查、无权参与处理，露骨地损害了国家主权。会议所达成的三项谅解，以后证明都变成了事实。此外，在淞沪战争期间，日本利用国际视线集中于上海的时机，推出了其一手制造的伪“满洲国”，部分地达到了原定之目的。