突然，一个更加令人震惊的消息传来了：日军已从杭州湾登陆。在杭州湾登陆的日军，是以第十八师团、第一一四师团、野战重炮兵第六旅团、独立山炮兵第二联队等部队组建的第十军，司令官柳川平助中将。同时，日军大本营又将位于华北战场的第六师团调出，命其在长江的白茆口登陆，加入到第十军的作战序列。日本海军也把原来的第三舰队，分编成第三、第四两个舰队，增加了“足栖号”巡洋舰为第四舰队旗舰，以全力协助第十军的登陆作战。
日军第十军的作战部署的第一期作战目的是：十一月二日“断然进行登陆”。之后，“以精锐的一部作为先遣队，神速地进入松江以南地区，掩护军主力渡过黄浦江”。第二期作战目的是：“尽速以一个兵团通过水路，向苏州挺进”，切断中国军队回撤南京的退路。这是一个极其凶险的作战计划。如果日军成功登陆，并占领沪浙交界处的松江地区，即可切断沪杭甬（上海至杭州至宁波）铁路，然后从南向北发动攻势，与从北向南打向苏州河的上海派遣军协同，对上海战场上的中国军队形成包围之势。
淞沪会战初期，蒋介石接到过日军可能要在杭州湾登陆的情报，为此，国民政府军事委员会专门作出部署，将第八集团军的四个师加一个旅布防于杭州湾北岸。但是，随着淞沪会战的进行，杭州湾北岸部队不断地被抽调至上海战场，最后竟只剩下第六十二师的一部和少量的地方武装——中国军队统帅部似乎已完全陷于应对上海的惨烈苦战，遗忘了或是忽视了位于上海战场背后的杭州湾——空虚的后方如遭遇突袭，必会使腹背同时受敌的危境降临。这是基本的军事常识，而置身于战场的第三战区指挥官们竟然毫无防范。
日军开始攻击苏州河南岸的时候，在海军的护卫下，集结于八口浦和五岛列岛的日军第六师团和第十八师团，乘坐军舰在济州岛附近的海面上会合。然后，百余艘战舰经过距上海东南约一百公里的马鞍群岛，于十一月四日晚潜入杭州湾。五日拂晓，日本海军第四舰队的三十多艘战舰，突然向杭州湾沿岸的奉贤、金山卫、乍浦等城镇开炮轰击，并派出军舰向镇海方向实施佯攻。接着，在空军的掩护下，日军第六师团及配属该师团指挥的步兵第九旅团在金山卫西侧、第十八师团在金山卫东侧同时强行登陆。
在杭州湾北岸，中国守军仅有的防御部队，无法抵挡日军的强大突击，日军先头部队很快击溃中国守军，开辟出登陆场。正在徐家汇指挥作战的第八集团军总司令张发奎和副总司令黄琪翔，急调尚未整休完毕就奉命重回战场的第七十八师前往阻击，同时命令位于青浦方向的第六十七军向松江急进。但是，中国军队各部尚未抵达，日军已从金山卫向东推进至亭林镇、松隐镇一线，其步兵第九旅团已经进入金山县城，第六师团主力正向沪杭铁路急进。
获悉消息的蒋介石在电话里征询陈诚的意见，陈诚建议“为尔后长期抗战计”，苏州河一带的中国军队应迅速后撤，转入武进（扼守着沪宁铁路的腰部以及南运河的南岸）一线的国防工事重新部署防御阵地。蒋介石“经半个小时之考虑“，同意了陈诚的建议。但之后不久，因为仍寄希望于正在比利时首都布鲁塞尔召开的国联大会，为以正国际视听，蒋介石又命上海战场再坚持三天。没有任何理由能够支撑这一命令的合理性。而这一命令对于上海战场上的中国军队是致命的。
松江是一个咽喉要点。松江中国守军第四十三军和松江保安队得到的命令是死守三天，以掩护上海战场已经开始的大规模撤退。由金山卫西侧登陆的日军第六师团和步兵第九旅团如入无人之境。从华北战场移至淞沪战场的第六十七军奉命增援。此战，军长吴克仁、军参谋长吴桐岗、师参谋长邓玉琢、三二一旅旅长朱之荣、三二二旅旅长刘启文先后阵亡，三一九旅旅长吴骞身负重伤——第六十七军付出了几乎全军覆没的代价仍是未能阻止日军向松江的推进。
与此同时，从金山卫东侧登陆的日军第十八师团突破了迎面赶来的中国军队的阻击，开始向纵深推进。七日，为了统一指挥上海战场的日军，日军参谋本部下达命令，编组华中方面军，以松井石根为司令官，统一指挥上海派遣军和第十军作战。上海派遣军司令官一职，由日本皇族陆军少将朝香鸠彦担任。十日，日军后续登陆部队第一一四师团于乍浦登陆完毕，从华北战场调来的第十六师团也在白茆口成功登陆，至此，数路日军从北、西北、西南、南四个方向朝上海战场蜂拥而来，呈现出最后决战的态势。
中国军队除了全线撤退，已没有任何选择余地。一九三七年十一月九日，蒋介石终于下达了全线撤退的命令。撤退命令由第三战区副司令长官顾祝同签署下达。总的原则是：上海战场的部队分别向南京、杭州两个方向撤退，退至其间国民政府已经修筑完毕的国防工事一线。但是，一切都为时已晚。在日军从各个方向发起的冲击下，中国军队数十万人马已不可能做到有序撤退，这导致了中国抗战史上最大规模的混乱。
由于撤退的时机过晚，下达命令的手段又十分落后，各部队接到撤退命令的时间不一。有的部队还没有接到撤退命令，只是看到友军撤了也就跟着撤了。撤退命令规定按照秩序撤退，并逐次掩护逐步布防阵地，但于匆忙混乱的撤退中已经没人遵守命令。更严重的是，撤退命令并没有规定各部队的撤退时间、顺序和路线，只是笼统地划定了撤退方向，而上海战场的许多部队都是紧急从全国各地调来的，官兵根本无从知晓上海周边的地理方位，这种情况往往导致十几万的部队拥挤在一条狭窄的公路上，成为日军飞机扫射轰炸的靶子。一九三七年十一月十二日，上海沦陷。