日军后援一到，便破坏停火协定 。3日 ， 日军以20多艘舰艇攻击吴淞炮台和高桥炮台 。第十九路军死守吴淞要塞 ， 日军猛攻4天，未能得逞 。另一方面，盐泽率部于4日再袭闸北，中国守军抗击9小时，毙敌300余人 。进犯江湾的一个联队被第十九路军围歼，盐泽被免职 。
在中国人民热情支持下，第十九路军初战告捷 。日本统治集团极为惊愕，为尽快解决上海战事，调拥有60架飞机、50辆坦克和大批重炮的第九师团增援上海 。日本总兵力达到3万人以上 。淞沪战争扩大的局面形成 。
装备处于劣势的第十九路军艰苦抗战 ， 伤亡甚众 。第十九路军总指挥蒋光鼎和军长蔡廷锴一再电请国民政府派空军参战，并增援陆军兵力 。在战争一开始就宣布迁都洛阳的国民政府，一直不予增援 。蒋介石一面与日方暗中联络，表示淞沪战争非其本意 ， 一面压制第十九路军，令其早日停战，“从速进入外交途径” 。
20日拂晓，日军第三任统帅植田发起总攻击 。先以机群向庙行、江湾、吴淞全线狂炸，继而用重炮轰击江湾，再以坦克掩护步兵分袭长家浜和杨树浦 。第十九路军以近乎肉搏打法歼敌800人以上 ， 并击落日战斗机一架 。血战两昼夜 ， 敌不支而退 。
由于上海人民的踊跃支援 ， 中国军队伤亡虽大，但士气旺盛，愈战愈勇 。23日，日军又疯狂进攻江湾、庙行，顽强的中国军队歼敌500人 ， 俘获日军少佐空闲升 。植田发动的规模最大的“上海会战”未能得手 。
战火在上海租界附近越烧越旺，英、美、法的注意力果然集中到这里来了 。他们害怕战事继续扩大，危及上海租界和他们的利益 。2月16日，国际联盟理事会12个会员国向日本代表佐藤尚武发出通牒，要日本尊重会员领土完整及履行政治独立的义务 。20日，国联理事会决定接受中国代表的要求 ， 将中日纠纷提交国联全体大会讨论 。开会日期定于3月3日 。
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