1949年4月23日深夜，中共人民解放军横渡长江攻克南京；这一天，雷震从杭州乘坐专车前往上海。在车上，雷震抱怨国民党军队守江不到三日即崩溃，令人抬不起头来。萧毅肃 时为国防部参谋次长，竟说“这是撤退，并非崩溃”，雷震感叹不已，说“这是自己欺骗自己”。4月28日，雷震、谷正纲、陈良等人前往复兴岛晋见蒋介石。蒋当时在海军的一艘兵舰上，停泊于复兴岛附近的黄浦江上。雷震对蒋说，当前上海金融界一片混乱，应当加以管制。蒋对此表示同意。4月29日，雷震赴汤恩伯处开会。汤说自己今日见到了蒋介石，“……总统询其是否准备在沪战至最后，恩伯肯定地答复，并谓假定工事全毁，亦当利用沪上之大建筑作巷战而予共党以打击。总统云：‘我当陪你在上海，共党晓得我在上海，他必先攻上海，可解广州之危’。
” 从这一段记述中可以知道，当时战局已十分吃紧，雷震、谷正纲、方治等人协助汤恩伯防守大上海，事实上已无成功的可能，只是雷震等人挺身而出之举得到了当时上海舆论界的一致赞许，谓之“沪上三剑客”，陈诚更是在一些公开场合表扬雷震。雷震当时负责金融和疏散方面的具体工作，因为他不懂军事。4月30日，天气骤冷，霏霏细雨。这天上午十一时雷震至央行讨论本月工人生活指数及工厂发放工资急需现钞等事宜；中午召集工商界人士开会，讨论沪上的金融问题。几天之后，又与方冶等人去复旦、同济及交大等校视察疏散情况。据工友的反映：“有若干军人进来时，礼貌不佳，甚至将教师行李扔出，亦有将教师存留而拟迁之食物吃掉，如油盐等，亦有秩序绝对良好。”不日，雷震、方冶出席上海各大学校长座谈会，方治代表国民党上海党部向各大学校长对军队在执行任务时存在不善之举表示了歉意。尽管雷震这时在上海忙得不可开交，先期抵台的王世杰则打来一封电报，催他尽快回台筹办《自由中国》半月刊杂志。王世杰的这种态度也传递出上海守卫无望的一种悲观心情。
5月6日，战事至嘉兴，雷震想“大概已陷落”。
雷震在名义上是汤恩伯的顾问，蒋介石却让他以警总政委的名义召开有关上海中央机关物资疏散会议。这一天下午，雷震在市政府与众人商讨具体事项。汤恩伯不愿警总来过问此事，而是想交给市府单独处理，雷震以后就不再过问此事。这时谷正纲突然告诉雷震与方冶，说汤恩伯汇了五十万美金到美国，这件事情让雷震一直怅然不已。他在5月8日日记中写道：“我此次在沪协助恩伯守沪工作，未有公职，未接受分文公奉，完全以党员资格在此吃苦，食宿仰挽于人，心中万分难过。而恩伯果真有此事，不独他对不起国家，抑且对不起我与正纲二人。希孔（即方冶，作者注）他究竟是上海市党部主任，正纲亦为政务委员，我则仅一顾问，如此在沪辛苦工作，真是一个大愚人，愈想愈觉无聊……”这时上海警备司令陈大庆根据一份黑名单，在二周前逮捕了四百多名学生，雷震大为不满。他认为，如果这些学生真是共产党，固然无话可说，若是无辜被捕则就不应该了。
在一次有关的会议上，他十分坦率地对汤恩伯说：“……尤以青年学生，我们要爱护他，孰无子女，我们要以父母之心待他，要凭良心办此事”，主张早日结案。雷震在说这话时“颜色甚重”（雷自语），汤恩伯竟亦“辞色俱厉”，其场面之严肃可想而知。事后汤恩伯说雷震这个人“太老实了”，并且以为雷震之所以这样做是在想保什么人，并说若真是这样，尽可交给他去办好了。雷震深感到这位老友对自己完全是误解了，“我没有非保不可之人，我以为此事应公平处理，且宜公开讨论，岂可鬼鬼祟祟以人命为儿戏也。其实开名单者太不负责，恩伯事前并不知，仅代人受过，惟事既已错误，而又不愿纠正，则军人作风，我殊不赞成，实难与之合作也。我在政府工作二十年，不与军人共事者以此，因军人目中既无文人，一切作风公私不分而任意作为，非有气节之文人能受也。” 宋英后来回忆，上海警备司令陈大庆甚至主张将当时滞留在上海自由派人士罗隆基等人抓起来，套入麻袋扔进黄浦江。后遭到雷震的坚决反对，“才保住罗隆基等几个人的性命” 。
5月16日，在汤恩伯的总司令部指挥所，雷震见到了蒋介石给汤恩伯的亲笔信，嘱其“支持到底，战到最后一人”；5月20日上午，雷震与汤恩伯、周至柔 、谷正纲等人赴十六铺视察战事，这时炮火正激。汤恩伯见江中船只无人守卫，质问防守江边某营长，该营长称已向上级请示。汤闻之大怒，说这本是你的职责，都到了这种生死时刻，何以请示？雷震深感国民党军队“无机动能力，事事仰赖长官每指示”，缺乏战斗力，周至柔也说，这都是蒋公多年问政的结果……无几日，浦东战事不妙，川沙沦陷，解放军步步逼近，一二日之内必会发生问题。这时周至柔劝雷震赴穗游说以请求增加兵力，雷震没有同意。后来迫于形势的十二分压力，方才同意前往，同时表示“必须地方上有人去，始可有效”。周至柔等人决定请上海商人王晓簌 、刘鸿生 一同前往，王、刘二人欣然应允，表示愿与国民党同命运。5月23日上午十一时许，雷震一行飞抵广州，入住事先安排好的东亚饭店。下午，雷震走访黄少谷 、何应钦 等人，报告上海战况，并请求从青岛调二军进沪。第二天，雷震等人又去见李宗仁。李表示“政府已决定抵抗，对沪上援助尽量设法”。
当李宗仁问及蒋介石何时离沪，雷震对他说，蒋其实早已离开了，“确系如此，并无虚言”。之后，雷震等人又去何应钦那里，由王晓簌、刘鸿生二人再次说明请调援军的用意，何答应可以全部调过去，但必须逐步实施才行。离开何应钦处，雷震去立法院做汇报。从上午十一点开始，雷震讲了一个多小时。“余将沪战十二日之经过逐一报告，并谓一，此次沪战无一人叛变，如军队来源有办法，上海可永久为我们所有。上海防御工事坚强，数目有六千之众……二，守沪可牵制许多兵力，守沪亦即守闽与守粤也；三；上海物资丰富，如以资敌，则我与敌之前途将不可想象；四，国际关系甚重，如上海守得住，则敌人在国际关系中，总不能将我们压下去也……” 汇报结束时，雷震吁请立院诸公予以多多支持……就当雷震在立法院请求援兵时，汤恩伯却发来一封电报，称上海战局已经恶化，“交警总队及青年军节节败退，改守浦西岸和中山路”。至5月25日中午，又悉人民解放军从虹桥方向开始进入上海市区，国民党军队撤至苏州河一带，雷震惊愕不止，自己昨天还在立法院称“沪军作战经过甚好，且可支持下去，不料转变之速，有如此也”。是晚，雷震买了一瓶白兰地与友人相酌解愁，至深夜方睡。
第二天，雷震本应出席中政会及中常委联席会议，由他作沪战报告。此时战局出现大逆转，他一下子感到了精神萎顿，“几乎不愿见人”，他在当天的日记中写道：“上海一失，则今后如何进行，可云方寸已乱，见到广州情形如此，仍是醉生梦死一样，尤令人灰心万分。”这天上午，他跑到顾祝同那里打听上海战况，听说仍在抵抗，内心才稍有平静。晚上，又访海南最高行政长官陈济棠，告诉陈自己想去海南岛视察，此岛与台湾遥相呼应，今后将成为一个重要的军事重地。陈济棠则劝雷震不要去，说那里食住无全，条件极差；而且陈对“中央”大为不满，牢骚尤甚。陈说：“练兵无款，修码头无款，一切不能进行，中央太不注意”。5月30日，这一天特别热，雷震与陈立夫 等人在“三六九”餐厅用早餐。席间，洪兰友批评雷震不该反对居正出任行政院长一职，而又不反对陈诚出任台湾省主席。
在前一天，何应钦突然辞去了行政院长一职，李宗仁正式提名由居正 接任，雷震与许多人表示反对。雷震认为居正“以其年已七十余，多年念佛，今于危难之际，出任行政院长，真误国误人也”。在与陈立夫的交谈中，陈竭力为其CC辩护，雷震深不以为然。雷震与陈立夫算是湖州老乡，但雷震一直觉得陈为人不够真诚，难以相处。6月1日，立法院否决了李宗仁的提名，有一半以上的人不同意居正出任行政院长。这天中午，时任教育部长的杭立武宴请雷震等人，席间有人为居正辩护，称其中有九票为废票不应计算在内，如此就可达到半数以上了。雷震则力驳之，说“此次居正不通过，倒可表现立法院尚有几分正义也。当此危难之际，棺材里的人想出来做行政院长，可说荒天下之大唐，而李代总统之作风，真为国人鄙视也”。 雷震反对居正出任行政院长，并非个人原因，完全是因为居正其人的身体无法胜任这一事实。两年之后，居正就在台北病逝了。