引线
现在中国著作均称是日军主动挑起上海战事，其海军中尉大山勇夫硬闯虹桥机场挑衅并打死我卫兵，我方在忍无可忍情况下将其击毙，日军遂以此为借口发动侵略战争。另据有关资料记载：8月9日下午上海虹桥机场事件发生后，时任京沪警备司令的张治中立刻在其苏州的住所召见第2师补充旅副旅长杨文瑔(旅长钟松在庐山受训)，要杨文瑔亲自到上海调查事件真相（机场守卫部队隶属第2师补充旅）。经杨文瑔实地调查核实，认为：此事件的发生有偶然性，属于突发事件，并非中日两国蓄意而为之。尽管如此，但在当时，中日双方已经是剑拔弩张、战争一触即发之际，二名日本军人擅自驾车持枪强闯机场警戒线是一种严重的挑衅行为，也点燃了战争的导火线(参见百度百科：《上海虹桥机场事件》)。
事件发生第二天，中日双方就此事开始交涉和谈判。11日，日方代表蛮横提出：中方撤退上海保安部队，撤除所有防御工事。上海市长俞鸿钧秉奉蒋介石之命，严辞拒绝。此时，日本已经做好大打出手的准备。第3舰队司令官长谷川清命令日舰开进黄浦江、长江各口岸，所属分舰队紧急开赴上海待战，同时命令在佐世保待机的海军第1特别陆战队以及其他部队增援上海。
8月21日，随88师直冲日军阵地的中国战车
为抢得战争主动权，赶在日本援军到达之前消灭驻沪日军，中国组织淞沪作战部队张治中部第9集团军（下辖3个师和1个独立旅）准备围攻日军，13日战争爆发，中国军队对上海市区之敌发动全面进攻，同时出动空军，轰炸日海军陆战队司令部、汇山码头及海面舰艇。其攻击重点最初为虹口，后转向公大纱厂。“八一三”淞沪会战开始时，中国军队占了绝对优势，除2个精锐师外，还有2个装备德国火炮的重炮团，即炮兵第10团（100毫米加农炮）和炮兵第8团（150毫米榴弹炮），加上坦克、空军助战，按理应具有压倒性优势。其时日军在上海的部队仅海军陆战队3000多人，紧急从日本商团中动员退役军人，合计也不过4000人（国民党夸大为1万人以上），重武器也不足，但其依靠坚固工事顽强抵抗，致使中国军队一直无法完成重大突破。
经数日苦战，第87师占领沪江大学，第88师占领了五洲公墓、宝山桥、八字桥等各要点，14日到沪的第二师补充旅(已改称独立第20旅)接替第八十八师（孙元良部）防守上海爱国女校、持志大学，并担任攻击虹口公园和江湾路日军司令部的任务。日军于16日退守江湾以日本海军陆战队司令部为中心的据点，依凭坚固工事顽抗，中国军队往往屡攻不克，无功而返。且自身伤亡很大。8月14日，负责指挥进攻日军的第88师264旅旅长黄梅兴阵亡，为开战以来中国军队牺牲最高级别之军官。其旅伤亡1000余人，连排军官几乎损失大半。除在地面战场短兵相接，双方在海上、空中也展开全方位较量。中国飞机于8月14、17和19日多次出动轰炸日军目标，并与日机爆发激烈空战。8月14日，第4驱逐机大队大队长高志航率所部飞机于杭州笕桥机场上空击落敌机6架、击伤多架，首创中日战争史上击落日机的纪录，国民政府后来特将此日定为空军节。15、16日，中日空军连续激战，海军奉命以商船沉于十六铺，封锁黄浦江，以防止日舰溯江向上游进攻。
此次为中国军队第一次军种（空军、海军、陆军）和诸兵种（步兵、炮兵、坦克）大规模协同作战，协同效果很差：步兵逼坦克冲锋又不予以掩护，结果坦克被日军全部击毁；步兵失去坦克掩护后攻坚伤亡惨重，甚至出现一个营部队挤在一条街内被日军堵住街口全部击毙的悲剧。陈诚回顾上海围攻未胜的教训，认为“以5师之众，对数千敌陆战队实行攻击，竟未能奏效，实在是当时部署种种不当的缘故”。史说回忆，“步兵与炮兵、战车协同作战的训练从来没做过”。
由于中国军队攻击了上海虹口的日本海军陆战队，原本力主不扩大争端的日本海军大臣米内光政大怒，极力主张向华南派兵，并下令日本海军航空兵进行越洋轰炸。8月14日晚上的内阁会议上米内已经公开声称了：“事态不扩大主义已经消灭了，打到南京去，海军将做应该做的一切”。日本陆军总参谋部立即向上海派遣了2个师团，并召回退役的攻坚战专家松井石根担任上海派遣军司令，松井石根觉得部队少了，辞行的时候向海军大臣米内光政和陆军大臣杉山元表示，给他5个师团，他一定能打到南京去。
中方
会战之初，中国军队投入兵力为3个师又1个旅、炮兵1个团又1个营、上海市警察总队、江苏保安队2个团，另有海军轻巡洋舰及驱逐舰10艘、炮艇、鱼雷艇20余艘；空军参战飞机250余架（兼顾南京等重要地区的空防）。陆军分为左右两翼，左翼军为由京沪警备部队改编而成的第9集团军，总司令为张治中。右翼为张发奎担任总司令的第8集团军，由苏浙边区部队改编而来。前者在浦西负责扫荡日军据点，后者在浦东担任警戒、支援和配合。这两个集团军都属第三战区管辖。淞沪会战刚开始没多久，中国政府就成立了大本营，以蒋介石为大元帅，编定全国战斗序列，将江苏长江以南（包括南京、上海）及浙江地区划为第三战区，以冯玉祥为司令长官、顾祝同为副司令长官。蒋虽任命冯玉祥为主官，骨子里对其并不信任，故用心腹干将顾祝同副之，并特地交待以顾副长官之命令为命令，这样一来冯的司令长官不过是个空架子，什么事也管不了。
中日相持阶段
受挫
8月下旬，中国各部队继续围攻盘踞在海军陆战队司令部、杨树浦等据点的日军，新抵达战场的中国军队精锐之师第36师迅速投入战斗，在战车掩护下攻入汇山码头，同时空军再次出动配合，轰炸地面及江上日军目标。我军终因装备低劣、火力不够威猛，面对钢筋混凝土筑造的工事而一筹莫展。中国仅有的装甲部队--南京装甲团配属第36师的两个连战车既无强大火力保护，又缺乏与步兵协同作战经验，反被日军舰炮悉数摧毁，两连官兵全部壮烈殉国。8月20日晨至8月22日，宋希濂第36师、王敬久第87师、孙元良第88师和夏楚中第98师的进攻均受阻，伤亡严重。战局陷入僵持，日军龟缩据点负隅顽抗待援。8月23日拂晓，日军松井石根率领的2个师团援军先头部队在海空火力掩护下，在狮子林、川沙口、张华浜等方面登陆，蒋介石闻讯，急令军政部次长陈诚为第15集团军总司令，指挥第98师、第11师及刚到嘉定的第67师、第14师火速分赴各处抗击敌人登陆。
蒋介石对第三战区进行了人事调整，冯玉祥到新成立的第六战区去当司令长官，第三战区司令长官的职务由蒋介石本人兼任。