日军第一次增兵及失败
日军停战后，竭力增兵。日本海军省立即命令佐世保第二十六队驱逐舰4艘，由巡洋舰“龙田号”统率，于1月30日抵达上海并于黄浦码头登陆，随舰而来的包括佐世保第三特别陆战队士兵474人及大批军火。
1月31日晨，日本航空母舰“加贺号”(26000吨)和“凤翔号”(7470吨)搭载第一航空队约30架飞机抵达上海，停泊于上海以东约130公里的马鞍列岛海面;下午4时，巡洋舰“那珂号”(5195吨)、“由良号”(5100吨)和“阿武隈号”(5100吨)3艘及水雷舰4艘抵沪，并载陆战队2000多人，分批登陆。
2月1日，日本邮轮“照国丸”载来横须贺第一特别陆战队(525人)于上海汇山码头登陆。
2月2日，日本海军中央部将长江一带第一遣外舰队之外的舰船，以“出云号”为旗舰(“出云号”2月6日抵达上海)，由海军中将野村吉三郎为司令官，组成第三舰队，统一指挥投入战斗。
日军兵力增加后，于2月3日开始，再度向闸北、八字桥等地的中国守军猛攻，仍被中国守军击退。2月4日，日军发动第一次总攻，战火扩大到江湾、吴淞一线。激战竟日，吴淞露天炮台，虽被敌狂轰滥炸摧毁，但在中国守军抵抗下，日军始终不能登陆。当时调归十九路军156旅第4团指挥的第88师高射炮连击落日机一架。此次总攻被粉碎后，盐泽幸一被撤职调回本国。
接替盐泽职务的是新组建的第三舰队司令官野村吉三郎中将。野村到职后，日军开始增援陆军。早在上海局势紧张时，日本就曾打算派遣陆军，但是为海军所拒绝。可随着战事不利，海军不得不向陆军求援。2月2日，日本内阁便决定正式派遣陆军。由于上海战况告急，决定派出上海派遣混成旅团(旅团长下元熊弥少将)与第九师团(师团长植田谦吉中将)，并先行运送上海派遣混成旅团和独立战车第二中队等部(此后称混成第24旅团)。同时，日本海军也增派横须贺第2特别陆战队赴援上海。混成第24旅团于7日午后在吴淞登陆。至此，日本海陆空军已增至万人以上。2月8日拂晓，日军混成第24旅分3路向张华浜、蕴藻浜、吴淞镇进攻，均被我击退。
2月10日，中国守军第122旅第6团由刘家行进至杨家行，防守胡家庄沿蕴藻浜北岸至吴淞之线。请缨赴援的张治中第5军第87师第261旅于12日由南翔进至嘉定，并派1个团接替罗店第122旅第4团之防务。
2月11日，野村对西方记者说：“日军渡过蕴藻浜之日，即为日军行动终止之时。”又说：“日军在吴淞踏平华军濠沟之日，为时不远。请渚君拭目相观，届时即可结束华东之抵抗。”
11日下午，日军在闸北狂轰溢炸的同时，向蕴藻浜、曹家桥一线大举进攻，并不断增援.十九路军猛烈抗击，双方肉搏，战况极其激烈。至晚，进犯之敌被全部击退。13日，日军陆军一个大队一度越过蕴藻浜、纪家桥一线，当即遭到第六十一师张炎旅的夜袭。中国军队夺获枪械甚多，终使敌军溃败。至此，野村企图从几路包抄吴淞中国军队的计划，终被粉碎。
日军第二次增兵及中方庙行大捷
2月8日，日军在吴淞遭受重创的消息传到东京后，根据日本天皇批准的敕令，日军参谋总长载仁急令陆军第九师团(师团长植田谦吉)火速增援上海。2月13日午后，第九师团主力到达上海港，16日，该师团全体官兵于吴淞登陆完毕。由此，第九师团长植田中将接替了野村的统帅职务。此时，日本侵略军海陆空兵力已达3万余人，野炮六、七十门，飞机60余架，并有舰艇数十艘集中于吴淞口。
植田首先于13日深夜发表声明，宣称：“如有妨害本师团执行任务者，必将采取果断措施，决不踌躇。”18日，植田又向蔡廷锴提出了最后通牒，内称：“贵军应立即停止战斗行为;并应在2月20日午后5时前，从下列地区撤退完了：在黄浦江西岸地区，从连接租界西端曹家渡镇、周家桥镇及蒲淞镇以北撤退;在黄浦江东岸地区，从连接烂泥渡及张家楼镇线以北撤退，各撤退至距离各租界边界线20公里地区(包括狮子林炮台)以外。同时，撤除在以上地区内的炮台等其他军事设施，并不得再设置。……以上各条如不见实行，日军不得已将对贵军采取自由行动，由此产生的一切后果，应由贵军负责。”
蔡、蒋接到植田的最后通牒后，下令前线部队向日军阵地猛烈开炮，作为对植田最后通牒的回答和警告。
20日晨，植田令日军全线总攻，采取中央突破，两翼卷击的战法，以第9师团主突江湾、庙行结合部，企图北与久留米旅围攻吴淞，南与陆战队合围闸北。日军先以大炮轰击，继之以步兵协同坦克部队，分两路进犯张华浜一线和杨树浦一线，均被中国守军击退;闸北日军千余人和坦克十余辆，因触地雷，死伤枕藉。21日，植田亲自指挥步兵数千人，在飞机、大炮配合下，向中国守军阵地冲击，双方伤亡均重，战斗延至23日黎明，日军试图从江湾车站包抄江湾镇，中国守军英勇抗击，多次冲锋，生俘日军空闲升少佐及士兵数百人，日军不支始溃退(日军侵华战争P181)。
庙行方面，原十九路军防地，于16日起为增援的第五军接防。第五军军长张治中，下辖第87师、第88师和陆军军官学校教导总队，全军约二万多人。第87师(张治中兼师长，副师长王敬九)下辖孙元良的259旅，宋希濂的261旅，担任胡家庄沿蕴藻浜北岸经曹家桥至吴淞以西之线;第88师(师长俞济时，副师长李延年)下辖钱伦体的262旅，杨步飞的264旅，担任由江湾北端经庙行镇、周巷至蕴藻浜南岸之线，教导总队(总队长唐光霁)之一部担任狮子林南北闸汭、川沙口、浏河口、杨林口、七丫口沿江一线警戒。
22日，日军第九师团倾巢出动，进犯第五军88师之庙行阵地，飞机轰炸竟日不停，数千发炮弹轰击中国守军阵地。但在张治中亲自指挥下，由孙元良旅、宋希濂旅和十九路军61师的三面夹击下，敌遭惨败，庙行阵地终于转危为安。日军第九师团及久留米混成旅团之精锐，伤亡惨重。此即为“庙行大捷”。此后数日，敌军虽不断轰击和进攻，但均被守军击退。日军遭受重创，由全线进攻转为重点进攻，再由重点进攻被迫中止进攻。至25日，植田的总攻计划也宣告破产。
日军第三次增兵及中方撤退
此时，日本海军第三舰队旗舰出云号，被十九路军敢死队潜水炸伤，日本国内震动;且因劳师动众，战事难以速决。为此，23日，经日本内阁会议决定，火速派遣陆军增援。于是参谋本部决定成立上海派遣军司令部，由前田中内阁陆相白川义则大将接替植田，增派第十一师团(师团长厚东笃太郎中将)、第十四师团(师团长松木直亮中将)和飞机一百多架来华，以便在上海发动更大规模的进攻。
经过多次增兵，白川统率下的上海日军兵力已达7万余人、军舰80艘、飞机300架，战斗力骤增。当时中国守军总兵力不足5万，装备又差，而且经一月苦战，伤亡比较严重，左侧太仓浏河地区江防薄弱。白川汲取前三任指挥官正面进攻失利的教训，决定从翼侧浏河登陆，两面夹击淞沪守军。指挥第9师团等部正面进攻淞、沪，以第3舰队护送第11师团驶入长江口，从浏河口、杨林口、七丫口突然登陆，疾速包抄守军后路。3月1日，日军在闹北、江湾、庙行各方面都发动了进攻，用重炮、野炮、钢炮以及飞机连续轰炸，步兵则乘势进击，白刃相搏，双方伤亡均重;与此同时，白川密令第11师团，利用浏河方面中国兵力单薄的弱点，在七丫口、杨林口、六滨口等地强行登陆，侵占浏河。浏河的失陷，使中国军队侧、后方均受严重威胁，于是，不得已于3月1日晚全军退守第二道防线(即嘉定、黄渡之线)。2日日军攻占上海。3月3日，日军占领真如、南翔后宣布停战。
国民政府的对日交涉和国联外交
上海抗战发生后，南京政府采取“一面抵抗，一面交涉”的政策，因此在抵抗之际，一面照会欧美各国和国联，要求“履行其条约之责任”。由于上海战争直接威胁到各帝国主义利益，因此，迫使他们采取比对待九一八事变较为积极的态度。正因如此，在上海战争过程中，由英、美、法出面奔走的“调停”一直不断。
事变第二天(29日)，驻上海的英美领事即出面调停，中日述成停战三天的口头协议;但实际上日军并未停止进攻。2月2日，英、美、法、意、德五国各自照会中日两国，“提议停止冲突;(一)双方根据下列条件，立即停止各种暴力行为;(二)两国间此后不再有动员或准备任何敌对行为;(三)在沪中、日作战人员，退出彼此接触地点;(四)设立中立区，分离双方作战人员，以保护公共租界，该项地区由中立国军警驻防，各种办法.由领事团拟定;(五)两国一经接受该项条约后，不先提出要求或保留，即根据非战公约及十二月九日国联决议案之精神，在中立国观察者或参与者协助之下，迅速进行商议，以解决一切悬案之事宜……。”南京政府对于这一有损中国领土主权的提议，基本表示同意。而日本却提出在上海、汉口、天津、广州、青岛等大商埠周围，划一不住兵区，宽十五至二十英里，以对抗英、美等五国共管上海的计划。
1月29日，中国驻国联总代表颜惠庆受国内指示，在国联理事会第六次会议上发言，就日本进攻上海提请国联关注，并联系到东北事件，主张国联章程第十条(关于尊重联盟各国的领土完整和政治独立的条款)和第十五条(关于联盟理事会对有断交之虞的纠纷进行审查的条款)，应适用于日本的对华侵略。国联理事会不顾日本反对受理了中国提案。次日，国联秘书长提议组织“国联委员会”赴上海调查中日冲突，后又决定成立“上海调查委员会”。中方代表当即表示同意。南京政府对国联干预上海战事抱有很大的希望。
2月4日，蒋介石日记云：“只要不丧国权，不失守土，日寇不提难以接受之条件，我方即可乘英美干涉之机，与之交涉;不可以各国干涉而我反出以强硬，致生不利影响也。”
国民政府为及早结束淞沪战争，除欧美列强的调停外，还另辟了一条直接谈判渠道。何应钦在报请蒋介石同意的情况下，派军政部次长陈仪和陆军步兵学校校长王俊直接与日军谋和。王俊10日同日军第九师团参谋长(原日本驻沪使馆武官)田代皖一郎少将谈判。
2月12日，中国代表依据国联盟约第十五条第九款，请求召集国联特别大会处理中日纠纷。国联理事会不顾日本代表的极力反对，20日决定将中日冲突移交国联大会处理，并以3月3日(日内瓦时间)为大会开会日期。
2月下旬，美国国务卿史汀生也再次出面警告日本，重申《九国公约》等必须维护。2月23日，美国国务卿史汀生以给参议院外交委员会主席波拉(WilliamE.Borah)的书信的形式，申述维护中国门户开放政策及九国公约、非战公约的重要性，重申“不承认主义”的立场，表示美国政府“不能承认任何影响我们政府及人民在华权利的任何局势，或任何该两国所订立的违反此等公约条款的条约或协定”。24日，美国政府将这封信转交给国联秘书长、中日两国政府及英法等国。同时，美国政府还决定派代表出席即将召开的、讨论中日问题的国联特别大会，希望促成中日双方的停战谈判，尽早结束上海战争。但另一方面，就在日本准备加派军队援沪时，史汀生又对日本驻美大使出渊表示，美国政府不鼓励制裁日本的行动。(中华民国史第8卷第68—69页)
2月28日晚，中国外交代表顾维钧应英国驻华舰队司令凯莱之请，偕十九路军参谋长黄强到英舰“肯特号”，与日海军司令野村及日本首相私人代表松冈洋右会晤。在凯莱的居间调停下双方磋商三小时，达成谅解事项五项：“(一)双方同时撤兵;(二)日本不提议永久撤出吴淞或狮子林炮台之问题;(三)，中日合组委员会，邀第三国视察员参加，监视双方撤兵;(四)撤退区域由中国继续行使警察权;(五)中国军队退至真如，日本军队退至公共租界及越界筑路地段，完竣后，中国军队退至南翔，日本军队退回舰上。”29日，中国政府对五项内容做了同意的回复，但日本政府却未予回复。
但“肯特号”会谈也非毫无意义，国联理事会主席彭古获悉“肯特号”会谈详情后，于2月29日召开国联理事会第十四次会议，会上通过了调停上海事件的四点计划，大意为：在各国驻上海文武官员的帮助下，迅速缔结停战的地方性协定，然后由在上海有特殊利益的各国代表召开圆桌会议，就公共租界、法租界及居民的安全保证措施和为解决其他问题而进行措施。随后，英、法、意、德、西班牙等国代表一致表示赞同该计划，中国代表颜惠庆、日本代表佐藤尚武也都原则上表示大致同意。
但3月2日，因日军迫使中方后撤到第二防线，日方态度又强硬起来，提出了四项苛刻条件，再次要求中国军队先行后撤才停止攻击，日军撤兵只先撤至上海及吴淞地区，并不愿受中立国监督撤军。中国政府对此明确表示了拒绝。3日，日军再次发动进攻。同日，美国国务卿史汀生召见日驻美大使出渊，指责日本一面接受国联2月29日决议一面又继续扩大军事行动的做法。