在此期间，中国方面也不断增调部队，并于9月21日再次调整部署，企图稳住战局，伺机反攻。第三战区将淞沪前线部队分为三部分：右翼军，总司令张发奎，辖第八、第十集团军，共7个师又4个独立旅，部署于苏州河以南和浦东地区；中央军，总司令朱绍良，辖第九集团军，共6个师、1个独立旅、一个保安总队和一个税警总团，部署于北站、江湾、万桥、罗店一线及其以西地区，主力位于南翔以北；左翼军，总司令陈诚，辖第十五，第十九两个集团军，共23个师和1个独立旅，主力位于嘉定、浏河一线及其以东地区。
9月30日拂晓，蕰藻浜以北日军一路向刘行和广福镇进攻，一路企图强度蕰藻浜，直指大场。10月1日，北路日军突破万桥附近中国守军阵地，迫使守军撤至唐桥、陈行一线。10月7日，南路日军第九师团强渡蕰藻浜，向大场、南翔进攻，企图切断沪宁铁路。日军在蕰藻浜南岸遭到中国军队的顽强阻击，攻势顿挫。中国左翼军和中央军的主力，构成了一个以大场为核心的环形防线，日军则对中国军队形成了由西北而东南的马蹄形包围圈。从10月4日至18日，双方激战15天，中方阵地时而有失，战局每况愈下。10月21日晚，中国中央集团的第二十一集团率以3个师从大场附近向蕰藻浜南岸日军实施主要突击；另以左翼军的3个师在广福镇南侧向东实施突击。此次反击，除广福南侧稍有进展外，其余均未能突破日军阵地，相反却遭受了惨重的伤亡。22日起，日军以3个师团的兵力在海空军的配合下，举行决定性的反攻，在庙行至陈行之间突破中国军队防线，攻势直指大场，并以一部兵力进犯南翔。
