日本最精銳部隊之一——陸軍第9師團1萬多人增援來上海後，植田謙吉計劃從閘北到吳淞全線進攻，以分散我軍主力，然後重點在江灣、廟行一帶切斷19路軍和5軍聯係，再各個擊破。
這是一場大規模的陣地戰，雙方都投入了所能投入的全部兵力。
20日晨，日軍由吳淞廟行、江灣至閘北全線進攻，主力集結於江灣。7時起，日軍以10多架飛機和多門大炮猛烈轟炸江灣鎮我軍陣地。2000多步兵在10多輛坦克掩護下分三路逼近江灣鎮。日軍多次猛烈衝鋒，均為我江灣守軍憑借戰壕、工事所擊退。21日，日軍進攻更加激烈，雙方傷亡消耗都很大，但江灣我軍陣地巋然不動。
22日，日軍見江灣陣地無法突破，便以主力集中攻擊江灣西北廟行鎮的5軍陣地。5軍88師527團3營陣地的防禦工事全部被炮火摧毀，陣地一度失守。
張治中軍長下令87師259旅孫元良旅長全力增援，令蘊藻浜北岸的88師261旅宋希濂旅長抄襲日軍側背。19路軍蔡廷鍇軍長也急令61師張炎副師長率兩個團出擊。
我軍全線反擊後，日軍三麵受敵倉皇潰退，傍晚，經過最後的肉搏戰，我軍陣地轉危為安。
25日以後，敵重心轉為江灣與廟行之間陣地。一連數日，日軍飛機接連轟炸，江灣全鎮成為一片焦士，屍橫遍野，河漢一片腥臭。在陣地摧毀，我軍不得不移師附近情況下，仍擊退敵軍10多次衝鋒。87師155旅、122旅發起了反攻，再次短兵相接，終於收複陣地。
3次換馬，3次戰敗，恰逢此時，我軍敢死隊員冒死潛入海中，日軍旗艦“出雲號”被炸。
日軍再次換馬，任命白川義則大將為派遣軍司令官，並增派陸軍第11、14兩個師團和海軍大批飛機參戰，企圖盡快結束上海戰事。
當此關鍵時刻，蔣介石卻不願繼續向淞滬前線增兵。日軍總兵力已達7萬，我軍卻不足4萬。
敵我力量的過分懸殊，使得3月1日瀏河苦戰中，我軍在將被敵包圍的危險麵前不得不退至第二道防線。
3月3日，日軍大部隊再次企圖包抄我軍。張治中軍長一麵急令5軍87師259旅517團奮起抵抗，一麵調獨立團火速增援。葛隆鎮、婁塘一帶的突圍成功，我軍主力由此從第二道防線退至遠離市區的第三道防線。
風蕭蕭，夜沉沉，一輪月照征人。盡我軍人責，信步陣後巡。曾經日月有幾何？世事浮雲，弱肉強食！
人融融，炮隆隆，黃浦江岸一片紅！大廈成瓦礫，市鎮作戰場。昔日繁華今何在？公理沉淪，人麵狠心！
月愈濃，星愈稀，四周婦哭小兒啼，男兒百戰死，壯士十年歸。人生上壽隻百年，無需留連，聽其目然！
為自由，爭生存，滬上麾兵抗強權。踏盡河邊草（指蘊藻浜），灑遍英雄淚。何必氣短又情長？寧碎頭顱，還我河山！
這是葛隆鎮戰役中陣亡的營長朱耀章在戰場上留下的最後詩作，震人魂魄，催人淚下。
19路軍和5軍不得不退出上海市區，國際聯盟也開始討論淞滬戰事。3月3日，白川義則宣布停戰。5月5日，國民黨政府代表與日本方麵談判後簽訂了屈辱的停戰協定。
白川義則笑了。他們要以這個勝利來慶祝象征天皇長壽的天長節。
4月29日，白川在檢閱部隊之後，來到虹口公園，參加慶祝會，正當慶祝會鑼鼓喧天，達到高潮時，人群中有人向主賓席扔來一顆炸彈，得意忘形的白川義則當場炸死。日本駐華公使重光葵炸成重傷，成了終生殘疾。
扔炸彈的人叫尹奉吉，韓國人。“一二八”時他來上海，早就想和日本人真刀真槍地幹一場，不料他到上海時已經停戰。他就用這個炸彈狠狠教訓了日寇。
尹奉吉還沒來得及引爆另一顆準備自殺的炸彈，就被逮捕了，不久被殺害於日本大阪。
二戰結束後的1947年，尹奉吉忠骨運抵釜山，韓國臨時政府領袖金九和無數普通百姓隆重迎靈。從釜山到漢城，沿途無數的人焚香祭拜。