8月18日前后,南京统帅部获悉日本陆军两至三个师团增援上海。18日，蒋介石任命陈诚为第三战区前敌总指挥，并决定正在浦口至苏州间待命的第十八军进入淞沪战场。8月21日,蒋介石任命陈诚兼第十五集团军总司令。此前,张治中统率的京沪警备军改编为第九集团军,继续担任围攻上海市区之敌;张发奎统率的苏浙边区部队改编为第八集团军,守备杭州湾北岸,并扫荡浦东之敌。8月23日,日军第十一师团和第三师团开始在川沙口和吴淞登陆,陈诚指挥第十五集团军担任攻击登陆之敌。至此,战局已从虹口、杨树浦扩大到吴淞、宝山、罗店一带,遂真正演变为"淞沪"战役。8月25日,蒋介石调任顾祝同为第三战区副司令长官,统一指挥淞沪战役。中国参战部队已扩展到三个集团军以及空军和炮兵的主力,一场大战役的局面已初步出现。
8月23日，日军第三、第十一师团在舰炮密集火力掩护下，在狮子林、川沙口方面登陆。当时在狮子林、川沙口一带的江防守军仅第五十六师的一个步兵连。张治中紧急命令炮兵第十六团及六十七师全部输送至太仓与嘉定之间，连同第一师、第九十八师都划归十八军军长罗卓英指挥。为稳定军心，张治中冒着日军密集的炮火从南翔赶往江湾叶家花园八十七师师部，从市区正面战场抽调兵力，向狮子林方向前进，支援江防军的作战。8月23日深夜，张治中又从南翔出发，奔走在太仓与嘉定之间，与十八军军长罗卓英等商询抗击登陆日军的作战方案，24日到苏州看望第三战区副司令长官顾祝同，和他商酌问题，并借此向南京统帅部报告请示。因擅自离开作战司令部遭蒋介石误解，深感委屈。但仍然怀着一颗沉重的心情连夜返回总司令部指挥作战。
此时，日本第一批增援部队陆续抵沪,并于23、24日大举在浏河、川沙口、张华浜等处登陆,上海战场的形势迅速开始发生逆转。检阅战报时,蒋介石常常怒火中烧,对第三战区前敌总指挥陈诚和第九集团军张治中,颇多斥责和痛骂。
自8月13日至9月初，张治中肩负抗敌重任，在淞沪前线无分日夜地指挥策划，四处奔驰，得不到片刻休息，体力已疲乏到了不堪想象的地步，尤其是南京最高统帅部的误解，使他无法再支撑下去。9月4日，张治中亲函蒋介石，汇报淞沪战场自开战以来三周的作战经过与得失，恳切表示辞去第三战区第九集团军总司令职务，并荐贤自代。9月22日，南京最高统帅部批准了他的辞职请求，任命他为大本营管理部部长。
带着一身的疲惫，张治中离开了正在激烈战斗中的淞沪前线。在夜色苍茫中告别战友，他留下了热泪。
1937年11月，张治中任湖南省主席。12月，上海沦陷。
历时3个月的淞沪会战，中国虽然战败了，付出极其昂贵的代价，但挫败了日军华东突破，速战速决的战略意图，粉碎了日军短期征服中国的迷梦，也让全世界看到了中国政府的抗战决心。张治中在淞沪抗战中的功绩，中国人民永远不会忘记。
