九月二十二日前后，增援的日军陆续抵达战场。交战双方在上海地区的新一轮惨烈厮杀开始了。日军第一0一师团先遣队抵达后立即投入战斗。此刻，中国军队也于战场一线增加了九个师的兵力。战斗依旧纠缠于上海北部的罗店、宝山和月浦一线。这个方向的中国守军，第九十八师和第十四师，兵员伤亡的承受能力已经达到极限。第九十八师全师伤亡近五千人，团长伤一人亡一人，阵亡的营以下军官达两百多人。第十四师第四十二旅八千多人，激战六天后，只剩下了两千多人。九月，日军在上海战事中伤亡也达一万二千三百三十四人。
上海派遣军司令官松井石根的计划是：以新增援的台湾步兵旅团协助第十一师团，先把防守罗店的中国军队赶到罗店西南侧；第三师团在增援而来的第一0一师团先头部队的协助下，对刘家行、顾家宅一线的中国守军发动猛烈进攻。尽管中国守军顽强死守，但因为相比日军武器甚为简陋，在兵力越来越多的日军的猛烈攻击下，中国守军的一线阵地不断被突破。三十日傍晚，日军第十一师团由罗店向西、向南推进了三公里，第三师团从吴淞向西、向南推进到顾家宅附近。
十月一日，日本四相会议在东京举行，会议提出了《处理中国事变纲要》。日本政府出于对苏联出兵的严重戒备，还是想“迅速结束”对中国耗费重兵的作战。至于如何“结束”，内阁的一致意见是：军事上以扩大战争规模的手段“使中国迅速丧失战斗意志”。问题是：中国是否能够“迅速丧失战斗意志”？对此，位于上海前线的日军将领们认为，东京大本营对中国军队的认识与他们遭遇的现实之间存在着巨大差距。置身于中国战场的日军将领，并不认为中国会“迅速丧失战斗意志”。因此，他们主张必须对中国施加更加强大的政治和军事压力。
十月一日，日军第一0一师团、第九师团和第十三师团主力先后抵达上海战场。松井石根决定采取集中兵力实施中间突破的战法，以罗店、大场公路为轴线，“主力从左边回旋到南面”，另一路主力从右面向南，“对大场镇附近进行攻击”，以突破大场阵地“进入苏州河一线”，完成对中国守军的迂回包围。日军每一天都有增援部队抵达战场，中国守军位于大场前沿的刘家行、万桥等阵地相继失守。十月一日这天，顾祝同下令第一线部队撤退。
从白茆河口登陆的日军，沿着沪太公路南下，开始攻击蕴藻浜。在日军强大火力的袭击下，中国守军的一线阵地被完全摧毁，不断有部队因伤亡殆尽而需要新的部队顶替。在日军主攻的黑大黄宅方向，布防的是中国军队第八师。该师是由北伐战争初期的湘军部队改编而来，属杂牌部队。第八师，在陶峙岳师长“死守”的命令下，在前沿顶了二十天，让日军付出了很大代价，直到该师伤亡殆尽，黑大黄宅阵地才被日军突破。中国军队第八师从战场上全部撤下来时，几千人的部队仅剩下七百多人。
日军第九师团先头部队突破黑大黄宅后，强渡蕴藻浜，在南岸建立起长约一公里的滩头阵地，不但使中国守军侧背受到威胁，而且日军的攻击目标已经直指大场。大场在上海的正北，一旦失守，日军便可以截断闸北、江湾、庙行一线中国守军的后路，锋尖直抵苏州河。因此，大场阵地的稳固，关系到上海和数十万中国军队的命运。第三战区司令长官部将刚刚抵达的第二十一集团军投入了战场。前敌总指挥陈诚在重新调整各部队的作战区域和战场划分后，下达了扑灭蕴藻浜南岸之敌并巩固整体防御线的命令。该命令准确地把兵力集中在了日军攻击的左翼。
十一日，日军主力开始在南岸桥头堡的掩护下，强渡蕴藻浜。为了堵住黑大黄宅的阵地缺口，阻止日军渡过蕴藻浜，缓和整个战线出现的危局，陈诚把在昆山增补的第一军和黄杰的税警总团这两支强硬的中央军嫡系部队再次投入了战场。刚刚补充完毕的第一军上来之后，没坚持几天，全军再次伤亡达百分之八十。与前一阶段不同的是，团以上指挥官阵亡人数减少，但营长以下的军官所剩无几。只是，中国军队也让当面的日军第一o一师团付出了惨重代价。
由于日军顽强猛烈的攻击，陈诚又从中央作战军那里调来李觉的第十九师、刘雨卿的第二十六师以及左翼军川军杨森部。十九师一上来就伏击了一股日军，居然把敌人追到了蕴藻浜，迫使日军橡皮艇逃了回去。可是接下来的战斗中，仅凭手榴弹无法有效地杀伤日军，第十九师自身的伤亡开始加大。该师一一三团在防守郭家牌楼阵地时，连同团长秦庆武在内，全团几乎全部伤亡。湘军不服气，增补上来增补上来的是何键的看家部队湖南保安团，这群倔强的湖南人在前沿阵地上苦撑了十几天。
日军将二线部队第十三师团投入了一线作战。蜷缩在战壕里的中国守军没有空军的支援。此时的中国空军已经伤亡殆尽，基本丧失了作战能力。而日军的飞机在没有任何空中对手的情况下极其疯狂。日本海军第三舰队和上海派遣军制订了协助陆军作战的协定。原来用于华北战场的轰炸机和战斗机也转场到了上海方向，不但直接支援陆军的地面作战，而且还开始大规模地轰炸南京。仅存的为数不多的中国空军勇敢地升空与日机搏斗，但损失之后难以补充，导致飞机的数量锐减。
残酷的上海战场，被中国军方称为“一寸山河一寸血”，被日本军方称为“血肉磨坊”。历史的事实是：在上海战事中，中国军队有丢失阵地的，有贻误战机的，有由于种种原因抗命的，甚至有个别贪生怕死的，但就抗击日本侵略者而言，没有妥协和屈服的，从官到兵都没有！