10月23日，日军以重兵直趋真太公路，威逼大场左翼。刘行方面日军，渡过蕰藻浜后攻向大场以西塔河桥，我军第18师朱耀华、第26师刘雨卿、第67师黄维等部经过艰苦抗击，阻住日军攻势。此时，中国军队从大场东面，经大场、市中心向东北而成一半圆形阵线，绕于江湾以北。庙行、大场位置突出，遂成日军眼中钉，日军调集各种火炮、飞机集中猛烈轰击，方圆数里，几为焦土。日军接着又以40余辆战车为前导，掩护步兵夺占胡家桥、塔河桥、走马塘等处阵地。为保存实力，守军在作出最大努力抵抗后向南翼转移，大场失守。此战中国军队又蒙受惨重伤亡，第18师几乎全军覆没，师长朱耀华悲愤难当，当即拔枪自戕（未死）。
大场丢失全线撼动，塞克特防线实际上已被突破。第三战区只得作出放弃北站--江湾阵地之举。中央军部队撤退到苏州河南岸，左翼军也奉命转移，至10月28日，中国军队退入浏河、沈家桥、朝王庙、徐家行、广福、陈家行、江桥、北新泾至梵王渡一线的第二期既设防御阵地，新防线长达35公里。淞沪会战进入10月底和11月初，中国军队虽处于被动地位，一再后撤，但仍控制上海，这无疑是与日本当初的判断和盘算背道而驰的。日本是个岛国，资源有限，同中国这个庞然大国比拼耐力和韧劲，，是万万消耗不起的，因此惟一途径即是速战速决。此时，日本统帅部对于日军经数次增兵后依旧无法取得决定性胜利，甚至没能从根本上改变会战态势，感到极为恼怒，同时也大为焦急。大本营经过审慎研究商讨后，认为中国已倾全国兵力之五分之三云集上海，已然摆出决战架势，而此前日军一直放主力于华北方向寻求决战无异战略部署的浪费，因而提出目前刻不容缓的是迅速结束上海战役，并决定将战略重点转向华中、华东。为此，决定成立华中方面军，日军统帅部还于10月20日下令从华北和国内抽调第6、第18、第114师团，国崎支队（第5师团第9旅团），独立山炮第2团，野战重炮第6旅，第1、第2后备步兵团等部队共约12万人，组成第10军，由柳川平助中将担任司令官，准备实施登陆作战以打开局面。同时命将在华北的中岛今朝吾第16师团转隶上海派遣军序列，淞沪前线日军兵力至此增至27万人。其中包括陆军9个师团另2个旅团、海军第3和第4舰队主力及空军力量。
日军第10军的作战要领方案是：一、预定在10月末或11月初在杭州湾金山卫附近地域登陆，主力以快速突进方式向黄浦江之线前进，攻占松江，切断沪杭铁路，一部向闵行渡河点前进，策应上海派遣军作战；二、渡过黄浦江之后向上海以西及南方攻击前进，与上海派遣军配合消灭上海周边的中国军队。
就在敌人大举调兵遣将、即将大兵压境之际，蒋介石却又深陷于列强干涉制止日本侵略的希望中，这样的念头他一直没有断绝过。淞沪这一仗，是被日本人逼迫太甚不得已而为之，打的目的是为了将来可以更好地谈。而国际社会的调节，就是他紧抓不放的救命稻草。所以，当蒋介石闻听国际联盟要于11月3日在布鲁塞尔召开九国公约会议，讨论中日之战，立刻喜出望外。本来，蒋介石已听取了白崇禧、陈诚等人建议，决定放弃上海，采取持久战策略，全军退到上海外围既设之国防工事固守，抗击消耗日军，这么做在当时形势下是明智的可行之举。但国联要开会的消息传来，却搅乱了蒋介石的头脑，他在命令下达的第二天，11月1日夜10时偕白崇禧、顾祝同等人乘火车，冒雨来到国民党淞沪前线中央军总部驻地南翔，在一所小学里召集由师长以上将领参加的紧急军事会议。在会上蒋介石说什么九国公约会议对国家命运关系甚大，我要求你们做更大的努力，在上海战场再支持一个时期，至少10天到两个星期，以便在国际上获得有力的同情和支援上海是政府的一个很重要的经济基地，如果过早地放弃，会使政府的财政和物资受到很大影响。会后，便宣布撤销撤退命令，各部队坚守原先阵地。新命令传到阵地上，部队一片哗然，短短时间内命令两次反复，使得中国守军士气大受影响，一些已经卷好铺盖要走的士兵只好又匆匆返回阵地，队伍秩序开始出现混乱。
11月5日拂晓，日本新组建第10军在柳川平助指挥下，由舰队护送在杭州湾金山卫附近之漕泾镇、全公亭、金丝娘桥等处突然登陆，包抄淞沪中国军队防线南方的背后。防守这里的，原先有张发奎第8集团军所属的4个师1个旅数万人的兵力，因蒋介石一直认为日军全力进攻上海正面，不会有从杭州湾登陆的可能，故在战事趋于激烈、兵源枯竭之时，将防守杭州湾的部队一一投入前方战场，到日军登陆时，在杭州湾北岸从全公亭至乍浦几十公里长的海岸线上，仅有陶广第62师的2个步兵连、炮兵第2旅2团6连及少数地方武装防守。既无重炮，也无像样工事，面对10万装备精良的日本生力军，结果可想而知。迅速即被日军击溃，日军登陆成功后，上海派遣军与第10军合编成立华中方面军，由松井石根统一指挥，日大本营规定其作战地域为联结苏州--嘉兴一线以东，任务以挫伤敌之战斗意志，获得以结束战局为目地，与海军协同消灭上海附近的敌人。第6、第18师团按照预先部署，分别向松江、沪杭铁路扑去。
当蒋介石得知日军登陆金山卫的消息时，不禁大吃一惊。立即命令淞沪战场前敌指挥官陈诚作出应变处置，陈诚急令右翼军的东北军吴克仁第67军前往增援松江。殊知，这个军刚从豫北调来，在松江附近未及集结完毕，即遭遇日军凶猛攻击，苦战3天3夜，未能退敌。11月8日夜，日军凭借强大火力从东、南、西三面突入松江城，守军死亡殆尽，吴克仁率残兵据守西门，兀自死战不退，最后壮烈殉国，年仅43岁。第67军全军覆没，日军遂占松江。随即兵分两路，一部沿太湖东岸，经浙江、安徽直趋南京，主力则指向枫泾镇、嘉兴、平望。9日，切断沪杭铁路及公路。
与此同时，日第16师团在中岛今朝吾指挥下在江苏太仓境内的白茆口登陆成功，前锋直指京沪铁路和公路，形成合拢之势。苏州河北岸的日军6个师团于10月31日强渡苏州河后，这时迅速向两路登陆日军靠拢，淞沪地区中国70万大军顿陷危险境地，再不撤退将成瓮中之鳖，被日军一网打尽。此时的南京统帅部和淞沪战场各个高级指挥部已经方寸大乱，是撤是守，争执不下。蒋介石死抱着对国联不切实际的幻想，迟迟不肯下令后撤，他表示只要我们在上海继续顶下去，相信“九国公约”国家会出面制裁日本，此时此刻还在做梦。白崇禧告诉他，前方将士听到日军登陆消息后人心惶惶，有的部队已经出现混乱，大有控制不住之趋势，再不撤退70万人只有白白等死了。于是蒋介石不再坚持，在11月8日晚下令进行全面撤退，所有部队撤出上海战斗，分两路退向南京、苏州--嘉兴以西地区。由于命令仓促，指挥失控，大撤退结果演变成全面大溃退，各部队完全没有章法，陷入极度紊乱，日军以飞机在天上轰炸扫射，地面部队穷追不舍，势如破竹一一攻占上海各镇。本来中国军队计划撤到吴福线、锡澄线、乍嘉线和海嘉线一带依托原有坚固国防工事，作持久抵抗，但当部队进入工事后，才发现混凝土用手可以捏碎，机枪射口大如门窗，各个碉堡间无交通壕连接，修建的300多个机枪掩体有一半不可用等等，甚至闹出了部队要进入工事一找不到钥匙二没有工事图纸的惊天大笑话，国民政府首都南京于是门户大开，日后的南京保卫战遂毫无意义。
自9日起，日军击退中国军队零散抵抗，连占虹桥机场、龙华、枫泾、青浦。11日，日军进至苏州河岸，南市及浦东我担任掩护任务的部队奉令撤出阵地。当日，上海市长俞鸿钧发表告市民书，沉痛宣告远东第一大都市--上海沦陷。凹
11月13日，国民政府发表告全体上海同胞书声明：各地战士，闻义赴难，朝命夕至，其在前线以血肉之躯，筑成壕堑，有死无退，阵地化为灰烬，军心仍坚如铁石，陷阵之勇，死事之烈，实足以昭示民族独立之精神，奠定中华复兴之基础。中国军队向吴福、澄锡国防线撤退，江阴保卫战开始；至此以60%的精锐部队损失殆尽的代价打破了日军三个月灭亡中国的狂妄话语，淞沪会战拉下帷幕。
战略
中日的淞沪大会战，可以说是规模空前，同时也改变了中日决战的事前安排，以及事后的战争发展方向。在这里就产生了一个战略历史上的大问题，当时蒋介石决定将主力东调，寻求上海决战的策略，是否适当？
因为一般的解释，特别是陈诚等将领的意见是，若是中国军队在华北决战不利，日军精锐的机械化部队，在华北平原会以其战场优势，沿着平汉线大举南下，直攻武汉，那么中国就会无险可守而迅速被日军分成东西两块；中国的军政中心既无法西迁四川，日本又可以运用海空军支持的绝对优势，将国民军主力在东南歼灭，历史上中国南方政府，都是遭到这样战略所击败的。这种战略分析，当然有极强的说服力。但由于日本认为若要深入攻击中国，必然是旷日持久，并且动员太大，他们认为只要攻击中国刚刚建立的工业地带与军政中心，最多再封锁中国的海岸线，中国就绝对会屈服，中国那有能耐撤退到西南落后地区，还能与日本对抗？所以中国最为担心的日军由北而南之攻势，却是日本没有认真考虑过的（日军迟迟在六年之后，才在其一号作战计划中，选择这个方向的攻势，但是已经时过境迁了）。
就大战略而言，当时对中国最关键的是时间，因内战刚结束不久，国民经济正逐渐恢复（1936年中国国民生产总值达到战前最高峰），陈诚本人也正在负责利用进口武器装备50个国防师的计划（如与德国合作，用江西大余的钨矿石换取德国武器），在上海与日军大战则势必终止中国的抗战准备而仓促与日军决战。实际当时日本决策机构在“七七”芦沟桥事变后对是否全面侵略中国摇摆不定，以参谋次长石原莞尔为代表的“不扩大派”暂时占了上风。石原为当时实力派人物，因当时参谋总长闲院宫载仁亲王为皇族只是挂名，军部实权在参谋次长石原手里。石原甚至主张：“可以将我华北全部驻军一举撤至山海关满州国界，然后由近卫首相亲自飞往南京与蒋介石促膝交谈，以解决日华间根本问题。”（《大本营陆军部》第1卷，朝云新闻社1974年版，452页）。日本外务省东亚局局长石射猪太郎也策划“日中邦交调整和停战方案”与“船津工作”。1937年7月底8月初，石原莞尔向日本陆军、海军首脑疏通，坚持“以外交手段收拾残局”。于是以石射猪太郎为主，会同陆军省当局人员，作出了日中“全面邦交调整方案”和“停战条件”。这个方案获外务省、陆军省、海军省三省一致同意，首相近卫文麿也立即表示支持。石射猪太郎把这一方案委托于设在上海的日本在华纺织同业会理事长船津辰一郎，让后者将方案秘密地透露给南京外交部亚洲司长高宗武，试探中方态度。8月9日，船津与高宗武在上海进行会谈，同日日本驻华大使川越与高宗武也作了一次会谈。
据这个日本方案，中日双方军队停战线划定为河北省永定河及白河右岸以东、以北各地区及察北六县为非武装地带，日军除战前驻屯军原有兵力外，新增部队一律撤退，中方则将中央军撤出河北省，实行停战，同时废除《塘沽协定》、《何梅协定》、《土肥原秦德纯协定》以及《淞沪停战协定》。所谓调整邦交，日方承认中国中央政府直接统治河北、察哈尔，撤销冀察政务委员会及伪冀东自治政府，日本对内蒙、绥远不加干涉，缔结中日防共协定及河北经济协定。中国则对东北的伪满洲国予以承认或者默认，日方则考虑对华经济援助及撤废治外法权等等。
日本这个方案，是通过回复到芦沟桥事变以前的状态，换取国民政府对东北伪满洲国的正式承认。国民政府本可利用此次谈判与日本周旋，尽量赢得更多时间。然而当高宗武返回南京时，“八一三事变”正好爆发。中国军队进攻上海日军后，石原莞尔被迫辞职，日本统帅机构决定全面侵华，可见陈诚主动挑起上海战事的失策。就算当时国民政府对日本动向判断不明，日军占领武汉就能切断国民政府退路？实际上还有江南广大地区可作回旋，抗战中这些地区有六、七年时间还在中国手里，大可作为撤往大后方的通道。再说日军从华北大举南下就能发挥机械化优势？黄河、淮河、大别山区都可极大限制日军行动，以后武汉会战中日军精锐部队在大别山特别是富金山陷于苦战就是例子，并非都是日军通途。至于国民党军70多个师、70多万大军在淞沪狭小战场与日军硬拼，在日军海陆空优势火力密集攻击下死伤枕藉，伤亡达30万，甚至有一天伤亡万余的惨况，正是让日军充分发挥其诸军兵种合成作战的优势。所谓江南稻田水网限制日军作用也有限，日军正可发挥其海军优势用舰艇溯长江而上武汉，有力配合陆军行动，这一点正是古代北方游牧民族所不具备的。还有就是京沪一体，上海既为前线，国民政府首都南京就直接暴露在日军兵锋之下，日军增兵上海后很快就直捣南京，对中国抗战震动极大。至于国际干涉纯为幻想，当时绥靖主义盛行，西方大国决不会为了中国与日本翻脸，火中取栗。
当然蒋介石在选择上海的考虑重点之一，恐怕还是希望在上海决战，容易引动国际社会的干预，而以当时中国的国情，也不可能允许蒋介石在上海按兵不动，坐观日军在上海随意部署——舆论与诸侯们会真的怀疑蒋介石与日本有默契，或是认为蒋介石的抗日决定别有用心借刀杀人，不敢也不愿在自己的地盘与日本作战，专门挑诸侯们的地盘与军队进行抗日，这在宋哲元与韩复榘的身上都可以看出来，因此他们不肯使全力与日军拚搏。而在蒋介石表达中央抗日决心，要求各路诸侯前往南京共商大计之时，西南的龙云、刘湘等人，也曾经担心这是蒋介石的政治圈套。因此蒋介石必须要在自己的地盘，用自己的中央军，与日本进行殊死战，才能清楚地证明，抗日并非消耗诸侯部队的借口。
意义
日本“三月亡华”被彻底粉碎
日军在上海浴血缠斗三个月，才勉强攻下国民军的阵地，已经使得世界各国对于中国的抗日实力与决心，产生刮目相看的态度，而日军久战未胜，日本的民心士气，则出现了怀疑与困惑。日本几乎已经可以确定，无法在短期内结束与中国的战争，那么日本就将面临其战略最大的致命弱点，就是日本缺乏战争与民生的资源，根本经不起长期的消耗，一旦它无法在中国战场上达成速战速决，那么最后的溃败，也就成为日本无法避免的命运了。
总之，在卢沟桥事变之后，只要中国不屈服，中日两军的东线作战绝对是不可能避免的，与其让日本掌握主动，不如让其陷入被动。虽然日军并没有沿平汉线长趋武汉的作战计划，但是中国却不可不防这步。蒋介石主动将东线变成为主力战场，有着后勤与指挥的实际需要。因为国民军的主力与补给，多数来自长江以南地区，当时的陆路运输能力，在日本空军的压力下，无法支持大军在北部的作战。但是若在上海作战，不但地理较近而且长江即是运输的动脉，这里也是蒋介石的地盘所在，就近指挥，比较灵活方便，在华北战线就会出现严重鞭长莫及的指挥问题，石家庄行营就是在各军协调困难，指挥失当的情形下，在混战中沦陷的。在淞沪会战惊心动魄的三个月当中，全中国上下凝聚出了一个共识，就是为了抵抗日本的侵略，中国“纵使战到一兵一枪，亦绝不终止抗战。”这是中华民族历史上最为悲壮的决定，整个民族决心以全面的牺牲来面对历史危机的挑战。
当时国民政府发表自上海撤退的声明，可以说是对于这场会战的过程与意义，做出最好的历史见证与结论：“各地战士，闻义赴难，朝命夕至，其在前线以血肉之躯，筑成壕堑，有死无退，阵地化为灰烬，军心仍坚如铁石，陷阵之勇，死事之烈，实足以昭示民族独立之精神，奠定中华复兴之基础。”蒋介石与全体军民的共同结论是，虽然上海作战失败了，但是中国决心以更广大之规模，从事更持久之战斗。