上海邻近首都南京，为中国经济重心所在，且为国际关注焦点。中日战争既已开始，中国决心保卫上海，驱逐驻沪日军。日本企图一战而占领上海、南京，逼使中国屈服。中日双方源源不断向上海调集兵力，遂在上海演成一场空前的大战。
先是，虹桥事件发生后的8月11日晚，军事委员会下令京沪警备区司令张治中率领第87师（王敬久）、第88师（孙元良）于当晚向上海推进，准备对驻淞沪之日军海军陆战队围攻。后第36师（宋希濂）亦调入上海。首先投入淞沪前线的部队编为第9集团军，张治中为总司令。另，苏浙边区公署部队改编为第8集团军，张发奎为总司令，驻苏州河南至浦东。
8月13日下午，上海八字桥附近日军与中国军队发生火力接触，战事爆发。
中国空军、海军积极出动参战。海军总司令陈绍宽8月11日夜下令彻底破坏江阴以下长江航路标志，12日亲赴江阴，指挥将征用的商船和老式舰艇沉于江底，阻塞长江航道。
为进行淞沪会战，军事委员会将原先准备参加华北作战的空军兵力全部南移参加保卫京沪地区的作战。8月14日，空军轰炸黄浦江上的日舰和杨树浦日本海军陆战队司令部。当日，中国空军与日本航空队激烈空战，日机被击落、击毁3架。此为“八一四”空战大捷。
一 围攻日本海军陆战队
淞沪会战之初，中国军队围攻驻淞沪日军海军陆战队的作战一开始就很激烈。第9集团军于14日下午分向杨树浦、虹口日军攻击。孙元良师第264旅旅长黄梅兴在指挥战斗时中炮弹牺牲，该旅官兵伤亡千余人。16日起张治中军扫**日军根据地，一度突入虹口日本海军俱乐部。17日全线总攻，但因缺乏强力攻坚武器，攻击甚难进展。日军以坚固障碍物阻塞，并以战车为活动堡垒阻击，进攻部队不得不对各点目标施行强攻，与日军往返争夺，伤亡甚重。日军处处死守，并在其战机的掩护下到处反攻。
蒋介石采纳军政部次长陈诚的建议，增兵上海，扩大沪战，以牵制日军在华北的进攻。20日，军事委员会正式划定淞沪、苏南与浙江沿海为第三战区，任冯玉祥为第三战区司令长官，顾祝同为副，陈诚为战区前敌总指挥。
20日后，中国军队攻击重点指向汇山码头，以图中央突破。21日，宋希濂师一度攻达汇山码头，与日军逐屋争夺，反复冲击，然被日军火力所阻。日军据高楼并加战车以交叉火网俯射。中国官兵借战友遗尸做掩护，向前猛扑。围攻上海日军之作战牺牲很重，而进展甚难。
二 抗击日本援军登陆
淞沪战役开始后，日本编组“上海派遣军”向上海增援，以松井石根为司令官。23日凌晨，增援的日军两个师团分别在长江岸边川沙河口和黄浦江边的张华浜、蕴藻浜等处登陆。中国军队第18军（罗卓英）、教导总队（桂永清）第2团、王耀武师等部向前线输送。中国军队开始由围攻驻上海日军海军陆战队，转为抗击日军登陆。张治中集团军负责黄浦江岸守备，长江南岸守备部队编为第15集团军，由陈诚指挥。
张治中集团军在张华浜、殷行镇、虬江码头、吴淞方面抗击日军登陆。日军以机枪、火炮和掷弹筒集射。中国官兵血肉横飞，虽伤亡惨重，但仍匍匐前进，随仆随起，冒死进攻，但未能阻止日军进展。24日晨，日本海军陆战队强行登陆，攻占殷行镇。宋希濂师反攻，殷行镇26日收复，28日复失。战况惨烈，敌我尸骸遍地。29日起，原驻沪日军向北站、八字桥、军工路反攻。9月5日，日军在虬江码头登陆，随即占领。日军飞机舰炮猛烈轰击，守军工事被毁，但仍前仆后继，殊死奋战。
日军向长江岸边登陆时，陈诚指挥的第15集团军各部已陆续开抵上海。从川沙口登陆的日军于23日中午攻占沪西战略要地罗店，彭善师于下午夺回。25日，黄维师在罗店一带苦战，与日军反复搏斗。李维藩副旅长和旅长蔡炳炎阵亡。中日军队在罗店的争夺战非常惨烈。28日中午罗店陷敌。第18军军长罗卓英决心夺回罗店，主攻罗店的各师勇猛攻击，各部与日军逐村逐屋反复争夺，但因日军火力猛炽，并不断反击，攻击部队牺牲甚大，罗店始终未能攻下。王耀武师、俞济时师进攻沪太（太仓）公路侧旁罗店南据点，反复向日军冲杀，亦惨烈异常。
吴淞镇于8月23日遭日舰炮击，几成焦土。24日拂晓后，日军在吴淞口登陆。日军占领吴淞炮台、宝山后向狮子林扩展。当日晚，罗卓英军各师向宝山城、狮子林、月浦、川沙口一线日军攻击。夏楚中师主动支援吴淞方面友军之战斗，收复宝山城。至30日，罗卓英军仍在宝山、狮子林炮台、月浦、新镇、曹王庙、浏河线坚持与日军激战。31日，日军攻占吴淞镇。9月1日，周喦师第17旅在吴淞炮台湾与日军搏战，伤亡2/3.炮台内百余人全数牺牲，炮台外保安团部队亦伤亡几尽。
9月1日，日军猛攻狮子林、月浦阵地。狮子林炮台守军阵地机枪被毁，手榴弹用尽，乃与日军白刃格斗，增援部队与日军肉搏4小时之久，狮子林终陷敌手。宝山城守军夏楚中师第583团第3营陷于重围。营长姚子青率官兵竭力抵抗，死守孤城。9月7日，日军攻入城内，官兵与之巷战，最后全营与城同殉，最为惨烈。11日下午，月浦被日军攻占。12日，日军占领杨行，复以主力向刘行猛攻。
日军自8月23日开始登陆后，遭到中国军队的坚强抗击，进展缓慢。9月6日，日本决定向上海再增派3个师团的兵力，第一批增援之兵力于7日抵沪。松井石根继续加强攻势。中国守军连日苦战，伤亡巨大，阵地被毁。中国统帅部决定逐步转入守势作战。第三战区下令各部转移后撤。11日黄昏开始，张治中集团军撤至北站、江湾、庙行至蕴藻浜之线。
三 北站——刘行——罗店——浏河镇线抵抗
9月12日起，淞沪前线部队转入守势作战，在北站-刘行-罗店-浏河镇一线抗击日军。
9月中旬，已到淞沪之日军共约10万人，炮300余门，战车200余辆，飞机增至200余架，并构筑飞机着陆场。而中国空军因初期作战损失过大，补充又困难，致上海战场制空权尽落敌手。中国飞机只能夜间冒险出动轰炸。
日军增兵上海，致淞沪战局更加严峻。9月21日，中国第三战区司令长官由军事委员会委员长蒋介石亲自兼任。第1军（胡宗南）、第8军（黄杰）等部相继调沪，上海的中国兵力得到增强。
中国军队自9月12日起改取守势后，日军集中兵力先夺占罗店以南地区。前线各点守军英勇搏战，与日军逐村逐屋争夺，格斗肉搏，多次击退日军的进攻，阵地反复易手，阵线总体呈胶着状态。中国军队牺牲惨重。至9月21日，胡宗南军之旅长以下军官减员80%。但中国军队的英勇抵抗迟滞了日军的前进。从9月中旬至月底，日军向罗店以西、以南只推进了约3公里。但守军伤亡过大，10月1日晚起，各部分别转移至蕴藻浜右岸亘陈家行、广福、施相公庙、北新泾镇、浏河之线。
四 北站——江湾——蕴藻浜沿岸——陈行——浏河镇线抵抗
9月下旬至10月1日，日军增援的3个师团到沪，其兵力总计约20万人。10月4日，松井石根作出计划，企图攻占大场镇后，迅速进入苏州河一线。5日起，日军不断向蕴藻浜地区进攻。7日，日军强渡蕴藻浜。11日以后，日军继续南渡，企图突破守军阵地，进占大场、南翔。中国守军叶肇等部顽强死守，战争激烈程度较前尤甚。但迄17日，日军之进展仅数百米至千米而已。
中国军队阵地不断被日军陆、空火力摧毁，各部队伤亡急剧上升，只能不断以新到之部队接替损耗极大的部队。10月中旬，第三战区决心以新进入战场的广西部队韦云淞军为攻击军主力，对已进入蕴藻浜南岸的日军实施反击；叶肇军等其他部队也编成突击队，向日军阵地要点实施突击；统由第19集团军总司令薛岳指挥，21日晚全线发动进攻。适逢日军主力亦发起进攻，战斗至为激烈，中国攻击军伤亡甚大。22日凌晨日军全力反攻，攻击军遂逐步后退。因日军兵力、火力集中，这次反击只能凭血肉之躯冲锋，虽极英勇，但伤亡奇重。此役中旅长庞汉桢、秦霖阵亡。各部守军于22-24日逐次退守大场、走马塘之线。
10月25日，在日军的猛攻下大场阵地被突破。26日，沪西重镇大场失守，守军师长朱耀华含愤自尽。淞沪战场形势更形紧张。26日，第三战区决定放弃北站至江湾间阵地，向苏州河南岸转移。
五 苏州河南岸抵抗
10月26日，中国军队除以一部据守铁道沿线附近要点外，逐步退至苏州河南岸。向苏州河南岸转移时，孙元良师第524团团附谢晋元奉命率该团第1营（营长杨瑞符）官兵400余人（号称800人）坚守闸北大陆、金城、盐业、中南四银行（简称“四行”）仓库4天4夜，击退日军6次围攻，掩护大部队转移，忍死不退。这就是著名的谢晋元团“八百壮士”孤守四行仓库的壮举。该部完成任务后，于10月31日晨渡过苏州河，退入公共租界。
由于日军已占领上海各要点，而后方已无部队增援，前方将领建议淞沪战场主力部队后撤，退入苏南国防线抵抗。蒋介石已表示同意。但因此时适值九国公约签字国将在比利时首都布鲁塞尔开会讨论中日战事，10月28日，蒋介石赶赴苏州，又下令淞沪前线将士“坚守阵地不退”。淞沪前线继续坚持拼搏，但战线无法维持。10月31日，日军开始渡苏州河，向河南岸猛攻。中国军队放弃南翔以东苏州河北岸阵地，但对日军渡河点仍反复进行反击，使渡河日军受到挫折。双方反复争夺近10日，死伤均惨重。
日军在华北和淞沪同时进攻，遭遇中国军队的英勇抵抗，上海战场中国军队的抗战意志和战斗力，完全超出日本军事当局的预料。日军进攻作战原先以华北为重点，上海战局的发展，使日方认识到：“如置华中中国军主力于不顾，则不能求得战局的结束”，于是日本决心将主作战转移到华中，从华北抽调兵力转用于华中。10月20日，日本参谋本部下令向上海方面增派第10军及配属兵力，与海军协力，在杭州湾登陆。11月7日，日本第10军与上海派遣军合编为“华中方面军”，以松井石根为司令官。
六 淞沪前线部队突围撤守
11月5日拂晓，日军在杭州湾全公亭、金丝娘桥、金山街、金山嘴、漕泾等处强行登陆。杭州湾原有中国右翼集团军（张发奎）防守，因战局紧张，许多兵力也被抽调至上海主战场，故日军登陆时该处守军兵力薄弱，全公亭等处警戒部队只有步兵两连，日军登陆遂得成功。右翼作战军总指挥兼第8集团军总司令张发奎与副总司令黄琪翔下令调部队阻击，但日军迅即占领金山卫，继占亭林镇、松隐镇（6日）、松江（8日）、枫泾（10日），伸入上海守军之西南面，配合上海方面日军从北面进攻，对苏州河南岸的中国军队形成包围之势。
至11月8日，日军第10军主力在米市渡、得胜港等处渡过黄浦江，进入苏州河南岸的日本上海派遣军也加紧发动进攻。鉴于战局恶化，8日晚蒋介石和第三战区副司令长官顾祝同令各部向吴福线（苏州至福山）及平嘉线（平望至嘉兴）国防阵地转移。淞沪战线守军开始从上海撤退。
8日，战区右翼第8集团军副总司令黄琪翔下令新从华北战场调来的吴克仁军固守松江至11月11日晚，但松江于当天就已陷落。
淞沪会战是中国全面抗战初始阶段中日两国进行的一场大战，从1937年8月中旬起至11月中国军队退出上海，日本投入兵力达到30余万人，中国军队调集70多个师，约70余万人。在日军机、炮优势火力猛烈进攻下，中国军队浴血奋战，坚持3个月之久，歼灭了大量日军，掩护了中国国力的后撤，表现了中国军民决心抵抗侵略、保卫民族生存的不屈不挠的英雄主义精神，赢得了国际的同情和尊敬。