9月上旬，由于日军不断增兵，战争逐步升级，国民党军队也陆续增援，不断调整部署。1937年9月11日以后，蒋介石自兼第3战区司令长官，顾祝同任副司令长官。以陈诚的第15集团军为左翼作战军，以张治中的第9集团军为中央作战军，以张发奎的第8集团军为右翼作战军。1937年9月21日，再次调整部署，朱绍良任中央作战军总司令兼第9集团军总司令;陈诚任左翼作战军总司令，下辖第19集团军(薛岳为总司令)和第15集团军(罗卓英为总司令);张发奎任右翼作战军总司令，下辖第8集团军(张发奎兼总司令)和第10集团军(刘建绪为总司令)。
9月下旬至10月初，日军第101、第9、第13师等增援部队陆续在上海登陆，加入上海派遣军之作战。至此，日军总兵力达20万人。尽管日军在武器装备上占有很大优势，但至11月初仍未能获得决定性胜利，却付出了重大代价。日本统帅部急于在上海方面取得预期战果，决心采取新的措施。11月5日拂晓，日军利用大雾、大潮在杭州湾的全公亭、金山咀登陆，对淞沪实施迂回包围。中国右翼军部分沿海守备部队已抽调支援市区作战，猝不及防，阵地相继失守，战局急转直下。日军第10集团军于11月6日占领金山，力图与上海派遣军达成合围。蒋介石被迫于11月8日下令全线撤退，日军于11月9日占淞江、11月12日占上海。至此，战役结束。
