相比之下，同日，海軍的作為顯得有些沉重。南京政府在海軍實力上根本無法與日軍艦隊進行比較，所有軍艦幾乎都是北洋軍閥時期留下來得破舊軍艦，噸位、火力、防護上與日軍相差懸殊太大。不得已，海軍司令於空軍大勝的同時，親臨江陰防線，命令海軍再次鑿沉5艘軍艦，彌補已沉商船之不足，江江陰江麵徹底封鎖，阻止敵艦溯江而上，攻擊上遊沿岸目標。對此國民政府新聞雖鮮有報導，但時刻注意上海形勢展的馬懷仁，還是通過建立在商業中的情報網，輕而易舉的獲得了這一消息。
八月十五日，南京、南昌、杭州、浙江各機場遭受日軍空襲，被我空軍攔截擊落十一架擊傷9架，張治ZHONG通電全國，表示堅決抗戰到底，隨後回電答謝吳克對上海局勢之關心，言稱政府已有詳細計劃，而他個人將適當考慮吳克之建議，為以後作戰作一些準備，同時對於吳克擔心日軍從杭州灣登陸，對上海側後構成威脅的考慮，張治ZHONG明確告知吳克，杭州灣灘多水淺並不適宜大部隊登陸，且已有部隊駐防無需擔心，並對於吳克之關心表示感謝雲雲。斯日，國民革命軍第39軍一部及第二、十一、六十一師、九十八師等部抵達上海，日軍於浦東登陸，中.51o.隊冒著敵艦炮火奮起反擊，殲滅登陸之敵。
8月十六日，日軍單方麵停止談判，北平戰火再次展開。
日軍大本營為籌備上海戰事，加快向華北增兵之度，預圖盡快解決華北之戰事，抽調兵力圖謀上海。8月16日，日軍第五師團全部、第六師團、第10師團一部以及第十五旅團分別到達天津，混成第一旅團、第二旅團、第十一旅團、以及川岸第20師團分別得到關東軍以及本土士兵補充，總兵力接近10之眾。有鑒於香月清司被圍北平之處境，日軍參謀本部令寺內壽一大將兼程抵達天津，開始布局華北戰事。
當日，敵飛機40餘架對北平周圍守軍展開猛烈空襲，隨後以重炮轟擊中國守軍陣地，日軍第五師團由北寧路經安次直插平南，向安定、馬駒橋一線起猛攻，第十師團一部於天津向靜海一線猛攻，此時中.51o.隊因內部意見不一，原29路軍與中央軍以及東北軍萬部還未能完善防禦計劃，安定53軍130師一部在日軍坦克、飛機、重炮之立體打擊下，雖奮起反擊，但終因差距過大，死傷慘重，未及半日退守黃村。同時，駐守馬駒橋一線孫部第四十四旅雖經殊死拚鬥，終因安定失守，側翼暴露，不得不退往南苑。
隨後中央軍一部、孫部第三十軍、29路軍馮部主力立刻增援豐台、南苑展開反擊，與此同時，敵第一旅團、第十一旅團、川岸師團在重炮配合下開始向北平東、北兩側起猛攻。日軍展開坦克以及飛機、重炮、毒氣等立體打擊手段，下午四時南苑、北苑守軍傷亡慘重，陣地岌岌可危，日鈴木旅團、第一旅團於當晚再次向平西運動，北平守軍向南、向西之退路有瞬間被包圍之危險。
同日，中國陸軍在虹口至楊樹浦一線對敵展開攻勢進攻，日軍海軍陸戰隊依托街道、工事展開阻擊，部分戰車被作為活動炮台，阻擊中.51o.隊進攻，激戰一個白天，日軍海軍特別陸戰隊第一大隊傷亡慘重，其它幾隻大隊也分別在87、88、98師以及獨2旅和炮兵三團、八團、十團的猛烈攻擊下，產生較大傷亡，其防線一度被中.51o.隊突破。日軍海軍陸戰隊司令官大川內少將眼見中.51o.隊攻勢猛烈，急忙調動能控製的所有兵力進行增援，同時向第三艦隊司令官長穀川青求援。
兩日來，空軍作戰不利，陸戰隊士兵遭受中.51o.隊圍攻損失慘重，讓長穀川青焦頭爛額，接到手得每一份情報都顯示出局勢對其非常不利。長穀川青手中並無預備兵力，不得已立刻向日本海軍中央部求援。由於戰事緊張，至傍晚又送一封緊急求援電報，稱陸戰隊雖士氣旺盛，但難以為繼。日海軍中央部接到上述兩電後，急命海軍陸戰隊在佐世保編組各約５００名的２個大隊於當日晚完成運輸準備。當夜，長穀川清第三次急電求援，日海軍中央部決定將原準備派往青島、現正在旅順待機的橫須賀鎮守府第１特別陸戰隊及吳港鎮守府第１特別陸戰隊２個大隊約１４００人立即乘泊於旅順的第４水雷戰隊艦隻，運送至上海。
同時，因台風影響已經逐漸結束，長穀青川為報複日艦被中國空軍轟炸之仇，支援陸戰隊防守，日間急令航母艦載機以及第一聯合航空隊大批參戰，對進攻之中國第87、88師以及上海各地展開瘋狂轟炸，中國空軍第三、第四大隊以及第五驅逐機大隊立刻猛烈還擊，雙方於淞滬上空展開激戰。第87、88師為避免傷亡過重，於當晚暫停攻擊，進行強攻準備。日軍第一航空隊最新式轟炸機鹿屋及木更津大隊在轟炸襲擊中遭中國空軍奮勇攔截，損失過半，聯隊長石井義被迫剖腹自殺。