日軍第一次增兵及失敗
日軍停戰後，竭力增兵。日本海軍省立即命令佐世保第二十六隊驅逐艦4艘，由巡洋艦“龍田號”統率，於1月30日抵達上海並於黃浦碼頭登陸，隨艦而來的包括佐世保第三特別陸戰隊士兵474人及大批軍火。
1月31日晨，日本航空母艦“加賀號”(26000噸)和“鳳翔號”(7470噸)搭載第一航空隊約30架飛機抵達上海，停泊於上海以東約130公里的馬鞍列島海面;下午4時，巡洋艦“那珂號”(5195噸)、“由良號”(5100噸)和“阿武隈號”(5100噸)3艘及水雷艦4艘抵滬，並載陸戰隊2000多人，分批登陸。
2月1日，日本郵輪“照國丸”載來橫須賀第一特別陸戰隊(525人)於上海匯山碼頭登陸。
2月2日，日本海軍中央部將長江一帶第一遣外艦隊之外的艦船，以“出雲號”爲旗艦(“出雲號”2月6日抵達上海)，由海軍中將野村吉三郎爲司令官，組成第三艦隊，統一指揮投入戰鬥。
日軍兵力增加後，於2月3日開始，再度向閘北、八字橋等地的中國守軍猛攻，仍被中國守軍擊退。2月4日，日軍發動第一次總攻，戰火擴大到江灣、吳淞一線。激戰竟日，吳淞露天炮臺，雖被敵狂轟濫炸摧毀，但在中國守軍抵抗下，日軍始終不能登陸。當時調歸十九路軍156旅第4團指揮的第88師高射炮連擊落日機一架。此次總攻被粉碎後，鹽澤幸一被撤職調回本國。
接替鹽澤職務的是新組建的第三艦隊司令官野村吉三郎中將。野村到職後，日軍開始增援陸軍。早在上海局勢緊張時，日本就曾打算派遣陸軍，但是爲海軍所拒絕。可隨着戰事不利，海軍不得不向陸軍求援。2月2日，日本內閣便決定正式派遣陸軍。由於上海戰況告急，決定派出上海派遣混成旅團(旅團長下元熊彌少將)與第九師團(師團長植田謙吉中將)，並先行運送上海派遣混成旅團和獨立戰車第二中隊等部(此後稱混成第24旅團)。同時，日本海軍也增派橫須賀第2特別陸戰隊赴援上海。混成第24旅團於7日午後在吳淞登陸。至此，日本海陸空軍已增至萬人以上。2月8日拂曉，日軍混成第24旅分3路向張華浜、蘊藻浜、吳淞鎮進攻，均被我擊退。
2月10 日，中國守軍第122旅第6團由劉家行進至楊家行，防守胡家莊沿蘊藻浜北岸至吳淞之線。請纓赴援的張治中第5軍第87師第261旅於12日由南翔進至嘉定，並派1個團接替羅店第122旅第4團之防務。
2月11日，野村對西方記者說：“日軍渡過蘊藻浜之日，即爲日軍行動終止之時。”又說：“日軍在吳淞踏平華軍濠溝之日，爲時不遠。請渚君拭目相觀，屆時即可結束華東之抵抗。”
11日下午，日軍在閘北狂轟溢炸的同時，向蘊藻浜、曹家橋一線大舉進攻，並不斷增援.十九路軍猛烈抗擊，雙方肉搏，戰況極其激烈。至晚，進犯之敵被全部擊退。13日，日軍陸軍一個大隊一度越過蘊藻浜、紀家橋一線，當即遭到第六十一師張炎旅的夜襲。中國軍隊奪獲槍械甚多，終使敵軍潰敗。至此，野村企圖從幾路包抄吳淞中國軍隊的計劃，終被粉碎。
日軍第二次增兵及中方廟行大捷
2月8日，日軍在吳淞遭受重創的消息傳到東京後，根據日本天皇批准的敕令，日軍參謀總長載仁急令陸軍第九師團(師團長植田謙吉)火速增援上海。2月13日午後，第九師團主力到達上海港，16日，該師團全體官兵於吳淞登陸完畢。由此，第九師團長植田中將接替了野村的統帥職務。此時，日本侵略軍海陸空兵力已達3萬餘人，野炮六、七十門，飛機60餘架，並有艦艇數十艘集中於吳淞口。
植田首先於13日深夜發表聲明，宣稱：“如有妨害本師團執行任務者，必將採取果斷措施，決不躊躇。”18日，植田又向蔡廷鍇提出了最後通牒，內稱：“貴軍應立即停止戰鬥行爲;並應在2月20日午後5時前，從下列地區撤退完了：在黃浦江西岸地區，從連接租界西端曹家渡鎮、周家橋鎮及蒲淞鎮以北撤退;在黃浦江東岸地區，從連接爛泥渡及張家樓鎮線以北撤退，各撤退至距離各租界邊界線20公里地區(包括獅子林炮臺)以外。同時，撤除在以上地區內的炮臺等其他軍事設施，並不得再設置。……以上各條如不見實行，日軍不得已將對貴軍採取自由行動，由此產生的一切後果，應由貴軍負責。”
蔡、蔣接到植田的最後通牒後，下令前線部隊向日軍陣地猛烈開炮，作爲對植田最後通牒的回答和警告。
20日晨，植田令日軍全線總攻，採取中央突破，兩翼卷擊的戰法，以第9師團主突江灣、廟行結合部，企圖北與久留米旅圍攻吳淞，南與陸戰隊合圍閘北。日軍先以大炮轟擊，繼之以步兵協同坦克部隊，分兩路進犯張華浜一線和楊樹浦一線，均被中國守軍擊退;閘北日軍千餘人和坦克十餘輛，因觸地雷，死傷枕藉。21日，植田親自指揮步兵數千人，在飛機、大炮配合下，向中國守軍陣地衝擊，雙方傷亡均重，戰鬥延至23日黎明，日軍試圖從江灣車站包抄江灣鎮，中國守軍英勇抗擊，多次衝鋒，生俘日軍空閒升少佐及士兵數百人，日軍不支始潰退(日軍侵華戰爭P181)。
廟行方面，原十九路軍防地，於16日起爲增援的第五軍接防。第五軍軍長張治中，下轄第87師、第88師和陸軍軍官學校教導總隊，全軍約二萬多人。第87師(張治中兼師長，副師長王敬九)下轄孫元良的259旅，宋希濂的261旅，擔任胡家莊沿蘊藻浜北岸經曹家橋至吳淞以西之線;第88師(師長俞濟時，副師長李延年)下轄錢倫體的262旅，楊步飛的264旅，擔任由江灣北端經廟行鎮、周巷至蘊藻浜南岸之線，教導總隊(總隊長唐光霽)之一部擔任獅子林南北閘汭、川沙口、瀏河口、楊林口、七丫口沿江一線警戒。
22日，日軍第九師團傾巢出動，進犯第五軍88師之廟行陣地，飛機轟炸竟日不停，數千發炮彈轟擊中國守軍陣地。但在張治中親自指揮下，由孫元良旅、宋希濂旅和十九路軍61師的三面夾擊下，敵遭慘敗，廟行陣地終於轉危爲安。日軍第九師團及久留米混成旅團之精銳，傷亡慘重。此即爲“廟行大捷”。此後數日，敵軍雖不斷轟擊和進攻，但均被守軍擊退。日軍遭受重創，由全線進攻轉爲重點進攻，再由重點進攻被迫中止進攻。至25日，植田的總攻計劃也宣告破產。
日軍第三次增兵及中方撤退
此時，日本海軍第三艦隊旗艦出雲號，被十九路軍敢死隊潛水炸傷，日本國內震動;且因勞師動衆，戰事難以速決。爲此，23日，經日本內閣會議決定，火速派遣陸軍增援。於是參謀本部決定成立上海派遣軍司令部，由前田中內閣陸相白川義則大將接替植田，增派第十一師團(師團長厚東篤太郎中將)、第十四師團(師團長松木直亮中將)和飛機一百多架來華，以便在上海發動更大規模的進攻。
經過多次增兵，白川統率下的上海日軍兵力已達7萬餘人、軍艦80艘、飛機300架，戰鬥力驟增。當時中國守軍總兵力不足5萬，裝備又差，而且經一月苦戰，傷亡比較嚴重，左側太倉瀏河地區江防薄弱。白川汲取前三任指揮官正面進攻失利的教訓，決定從翼側瀏河登陸，兩面夾擊淞滬守軍。指揮第9師團等部正面進攻淞、滬，以第3艦隊護送第11師團駛入長江口，從瀏河口、楊林口、七丫口突然登陸，疾速包抄守軍後路。3月1日，日軍在鬧北、江灣、廟行各方面都發動了進攻，用重炮、野炮、鋼炮以及飛機連續轟炸，步兵則乘勢進擊，白刃相搏，雙方傷亡均重;與此同時，白川密令第11師團，利用瀏河方面中國兵力單薄的弱點，在七丫口、楊林口、六濱口等地強行登陸，侵佔瀏河。瀏河的失陷，使中國軍隊側、後方均受嚴重威脅，於是，不得已於3月1日晚全軍退守第二道防線(即嘉定、黃渡之線)。2日日軍攻佔上海。3月3日，日軍佔領真如、南翔後宣佈停戰。
國民政府的對日交涉和國聯外交
上海抗戰發生後，南京政府採取“一面抵抗，一面交涉”的政策，因此在抵抗之際，一面照會歐美各國和國聯，要求“履行其條約之責任”。由於上海戰爭直接威脅到各帝國主義利益，因此，迫使他們採取比對待九一八事變較爲積極的態度。正因如此，在上海戰爭過程中，由英、美、法出面奔走的“調停”一直不斷。
事變第二天(29日)，駐上海的英美領事即出面調停，中日述成停戰三天的口頭協議;但實際上日軍並未停止進攻。2月2日，英、美、法、意、德五國各自照會中日兩國，“提議停止衝突;(一)雙方根據下列條件，立即停止各種暴力行爲;(二)兩國間此後不再有動員或準備任何敵對行爲;(三)在滬中、日作戰人員，退出彼此接觸地點;(四)設立中立區，分離雙方作戰人員，以保護公共租界，該項地區由中立國軍警駐防，各種辦法.由領事團擬定;(五)兩國一經接受該項條約後，不先提出要求或保留，即根據非戰公約及十二月九日國聯決議案之精神，在中立國觀察者或參與者協助之下，迅速進行商議，以解決一切懸案之事宜……。”南京政府對於這一有損中國領土主權的提議，基本表示同意。而日本卻提出在上海、漢口、天津、廣州、青島等大商埠周圍，劃一不住兵區，寬十五至二十英里，以對抗英、美等五國共管上海的計劃。
1月29日，中國駐國聯總代表顏惠慶受國內指示，在國聯理事會第六次會議上發言，就日本進攻上海提請國聯關注，並聯繫到東北事件，主張國聯章程第十條(關於尊重聯盟各國的領土完整和政治獨立的條款)和第十五條(關於聯盟理事會對有斷交之虞的糾紛進行審查的條款)，應適用於日本的對華侵略。國聯理事會不顧日本反對受理了中國提案。次日，國聯祕書長提議組織“國聯委員會”赴上海調查中日衝突，後又決定成立“上海調查委員會”。中方代表當即表示同意。南京政府對國聯干預上海戰事抱有很大的希望。
2月4日，蔣介石日記雲：“只要不喪國權，不失守土，日寇不提難以接受之條件，我方即可乘英美干涉之機，與之交涉;不可以各國干涉而我反出以強硬，致生不利影響也。”
國民政府爲及早結束淞滬戰爭，除歐美列強的調停外，還另闢了一條直接談判渠道。何應欽在報請蔣介石同意的情況下，派軍政部次長陳儀和陸軍步兵學校校長王俊直接與日軍謀和。王俊10日同日軍第九師團參謀長(原日本駐滬使館武官)田代皖一郎少將談判。
2月12日，中國代表依據國聯盟約第十五條第九款，請求召集國聯特別大會處理中日糾紛。國聯理事會不顧日本代表的極力反對，20日決定將中日衝突移交國聯大會處理，並以3月3日(日內瓦時間)爲大會開會日期。
2月下旬，美國國務卿史汀生也再次出面警告日本，重申《九國公約》等必須維護。2月23日，美國國務卿史汀生以給參議院外交委員會主席波拉(William E. Borah)的書信的形式，申述維護中國門戶開放政策及九國公約、非戰公約的重要性，重申“不承認主義”的立場，表示美國政府“不能承認任何影響我們政府及人民在華權利的任何局勢，或任何該兩國所訂立的違反此等公約條款的條約或協定”。24日，美國政府將這封信轉交給國聯祕書長、中日兩國政府及英法等國。同時，美國政府還決定派代表出席即將召開的、討論中日問題的國聯特別大會，希望促成中日雙方的停戰談判，儘早結束上海戰爭。但另一方面，就在日本準備加派軍隊援滬時，史汀生又對日本駐美大使出淵表示，美國政府不鼓勵制裁日本的行動。(中華民國史第8卷第68—69頁)
2月28日晚，中國外交代表顧維鈞應英國駐華艦隊司令凱萊之請，偕十九路軍參謀長黃強到英艦“肯特號”，與日海軍司令野村及日本首相私人代表松岡洋右會晤。在凱萊的居間調停下雙方磋商三小時，達成諒解事項五項：“(一)雙方同時撤兵;(二)日本不提議永久撤出吳淞或獅子林炮臺之問題;(三)，中日合組委員會，邀第三國視察員參加，監視雙方撤兵;(四)撤退區域由中國繼續行使警察權;(五)中國軍隊退至真如，日本軍隊退至公共租界及越界築路地段，完竣後，中國軍隊退至南翔，日本軍隊退回艦上。”29日，中國政府對五項內容做了同意的回覆，但日本政府卻未予回覆。
但“肯特號”會談也非毫無意義，國聯理事會主席彭古獲悉“肯特號”會談詳情後，於2月29日召開國聯理事會第十四次會議，會上通過了調停上海事件的四點計劃，大意爲：在各國駐上海文武官員的幫助下，迅速締結停戰的地方性協定，然後由在上海有特殊利益的各國代表召開圓桌會議，就公共租界、法租界及居民的安全保證措施和爲解決其他問題而進行措施。隨後，英、法、意、德、西班牙等國代表一致表示贊同該計劃，中國代表顏惠慶、日本代表佐藤尚武也都原則上表示大致同意。
但3月2日，因日軍迫使中方後撤到第二防線，日方態度又強硬起來，提出了四項苛刻條件，再次要求中國軍隊先行後撤才停止攻擊，日軍撤兵只先撤至上海及吳淞地區，並不願受中立國監督撤軍。中國政府對此明確表示了拒絕。3日，日軍再次發動進攻。同日，美國國務卿史汀生召見日駐美大使出淵，指責日本一面接受國聯2月29日決議一面又繼續擴大軍事行動的做法。
