久留米混成旅团登陆后，向蕴藻浜一带阵地发动猛攻，激战四日，未获丝毫进展。二月十三日上午，大雾迷漫，下午雨雪交加，久留米混成旅团在烟幕掩护下，在纪家桥方面强渡蕴藻浜成功，守军第六十一师第一二二旅张炎部就地抵抗，战况激。迄下午七时，张炎率部反攻，击敌侧翼，敌纷纷向南岸撤退，而南岸之敌，认为是我军渡河夜袭，猛加轰击，致使退却之敌遭受重大伤亡。此役不仅使敌一举占领吴淞的企图陷于破灭，且使号称劲旅的久留米混成旅团遭受重创。
同日，日本陆军主力第九师团开始在吴淞铁道码头登陆，至十六日，该师团登陆完毕。第九师团师团长植田谦吉，为陆军中将，于二月十四日接替了日军陆上作战指挥任务，成为一二八战役中日军的第三个主帅。与此同时，第五军张治中部到达前线，于二月十六日编入战斗序列，为左翼军，担任江湾以北经庙行至吴淞一线作战，右翼军的第十九路军担任江湾含江湾至闸北一带的作战。
植田部署完毕后，于二月十七日向蔡廷锴提出通牒，要求我军向租界外撤退二十公里，蔡廷锴当向蒋光鼐请示如何答复，蒋说：“用大炮回答它。”断然拒绝了日方的要求。接着日军在全线展开进攻，试图寻找薄弱环节，并一举突破。二十二日，庙行之役，是为决战时刻。当天日军以全力攻击第五军庙行阵地，一度突破第八十八师防线，情况危急之际，八十七师孙元良旅正面出击，同时以第八十七师宋希濂旅由纪家桥渡河抄敌侧背。在三方面猛击下，日军溃退。此役，激战一昼夜，日军中间突破的计划以失败告终。战后，日军称“庙行之役为一二八战役中最激烈的一战”。
庙行战役后，日本内阁于二月24日决定再次增派两个陆军师团善通寺第十一师团和宇都宫第十四师团来上海，改由白川义则大将担任统率上海全部陆军和海军陆战队的新司令官。
一月中四易主帅，一次比一次投下更大的赌注，说明日军战略上完全陷于被动，战术上也陷于狼狈境地。
白川义则出任司令官之后，不再正面寻求决战，而决定实行迂回战，并在淞沪正面战场的后方浏河登陆，企图通过大包围，一口吃下第十九路军与第五军。
三月一日，日军发动全线总攻击。当晚蒋光鼐、蔡廷锴在迫于后援无继，侧背受到威胁的困境下，决定十一时作战略撤退，将左翼军撤至嘉定、太仓之线，右翼军撤至黄渡、方泰之线。当晚，撤退部署详细，出其不意，全师而退。
三月三日，日军陆海军最高指挥官白川、野村分别发表声明，称“中队业经撤退，帝国臣民安全及租界和平已得到回复，战斗行动即予中止”。此后迄五月五日淞沪停战协定，淞沪战场，除发生局部战斗之外，基本趋于平静。
回顾整个淞沪会战，中队计有十九路军与第五军两军参战，总兵员5万人。日军由第三舰队、混成第二十四旅团、第九、第十一、第十四师团组成，总兵员约7万人。在战争的准备、武器配备、人员上，日军皆占绝对优势。这注定是一场奇诡且悲怆的败仗，日军的海军部与陆军，向来意见不合，这一次却难得“精诚合作”，联合对驻上海的第十九路军发动攻势，而作为防守方的中国，从始至终，只有第五军张治中将军请命上阵协同十九军抗日，其余驻防江浙的中队遑论全队，皆按兵不动，观望成败。
然而，就是这局部性的两个军，顽强抗战三月余，杀伤敌军近万人，使日军三换司令四次增兵。淞沪会战中的中国两军，以寡敌多，以弱撼强，进退有序，攻守得当，终因后勤补给匮乏、援军不至而败，是为淞沪会战之最大遗憾。
1932年5月5日，国民党南京政府与日本签订淞沪停战协定，允日本在吴淞、闸北、江湾及引翔港等地区驻军。由此，上海成了日本侵略中国的战争跳板。五年后，全面抗战爆发，上海再次首当其冲，第二次更大规模的淞沪会战爆发。
在时间序列与战争序列上，第一次淞沪会战，上承1931年“九一八事变”，下衔榆关抗战、热河抗战、长城抗战、察哈尔抗战及绥远抗战。“九一八事变”，东北军数十万人，不放一枪一弹，弃国家之土地民众如敝履，群情激奋，举国蒙羞。“一二八事变”，十九军首创抗日，且多次重创日军。中国之有抗战，自十九路军淞沪抗战始。
在对于淞沪会战的回顾中，笔者认为，战争之胜败，夹杂诸多战争之外的因素。对于日本方面来说，第一次淞沪会战，至最后，几乎倾尽全力。而中国方面的抵抗，则先是以十九路军为主，而后由新编的第五军协助参战。也就是说，第一次淞沪会战的最大特点，是以局部对抗全部之敌。这一战争状态，与近四十年前的中日甲午战争相仿佛。
从甲午战争至1931年，这一时期的中国政治的特点，是中央权力不断被削弱，军阀政治不断产生的过程，同时，这一时期的政治内容，也是不断反抗割据军阀政治的过程。1912年，新共和国创立，南北妥协，是对于中国分裂的一次回应。1927年，北伐战争同样是对于军阀割据的反抗。