事變之初，駐上海日軍有海軍陸戰隊1800餘人及武裝日僑4000餘人、飛機40餘架、裝甲車數十輛，分布在虹口租界和楊樹浦，另有海軍艦隻23艘，遊弋在長江口外和黃浦江上，由海軍第1遣外艦隊司令鹽澤幸一指揮。1月28日午夜，陸戰隊分三路突襲閘北，攻占天通庵車站和上海火車北站。上海軍民義憤填膺，擔負滬寧地區衛戍任務的第19路軍3個師共3萬餘人，第60、第61師分駐蘇州、南京一帶，第78師2個旅駐守上海，在總指揮蔣光鼐、軍長蔡廷鍇指揮下奮起抗戰。防守市區的第156旅，在前來接防的憲兵第16團主動配合下，打退由橫浜路、虯江路、寶山路進攻的日軍，29日奪回天通庵車站和上海北站。日軍敗退租界，通過英、美等國領事出麵“調停”，達成停火協議，緩兵待援。上海民眾在中國共產黨的領導和推動下，紛紛組織救護隊和義勇軍，積極支援第19路軍抗戰。29日，日本政府發表聲明威脅中國政府，誣指上海事件是中國排日運動引起的。南京政府於30日倉促遷往洛陽。至2月2日，日軍從國內增調航空母艦2艘、各型軍艦12艘、陸戰隊7000人援滬。蔣光鼐急調第60、第61師參戰。3日，日軍破壞停火協議再向閘北進攻，被守軍擊退。日本內閣遂增派第3艦隊和陸軍久留米混成旅援滬，由第3艦隊司令野村吉三郎接替鹽澤指揮。7日，野村改變攻擊點，以久留米旅進攻吳淞，陸戰隊進攻江灣，企圖從守軍右翼突破。第19路軍依托吳淞要塞及蘊藻浜水網地帶與日軍激戰，第61師將進攻紀家橋、曹家橋及偷渡蘊藻浜的日軍各個消滅，其餘日軍又龜縮租界，由英、美等國領事再次出麵“調停”，以待援兵。
浴血奮戰
上海戰況於日軍不利，日本內閣於2月14日又調陸軍第9師參戰，改由第9師師長植田謙吉統一指揮。同日，中國政府派請纓抗日的張治中任第5軍軍長，率所部第87、第88師及中央陸軍軍官學校教導總隊增援上海，歸第19路軍統一指揮，接替從江灣北端經廟行至吳淞西端的防線，為左翼軍。第19路軍為右翼軍，擔負江灣、大場以南及上海市區的防禦。18日，植田發出最後通牒，要挾中國守軍於20日17時前撤退20公裏，被蔡廷鍇嚴詞拒絕。20日植田令日軍全線總攻，采取中央突破，兩翼卷擊的戰法，以第9師主突江灣、廟行結合部，企圖北與久留米旅圍攻吳淞，南與陸戰隊合圍閘北。守軍第19路軍與第5軍並肩作戰，密切配合，利用長江三角洲水網地帶及既設工事頑強抗擊，並組織戰鬥力強的部隊夾擊突入江灣、廟行結合部之敵。經過6晝夜爭奪戰，日軍遭受重創，由全線進攻轉為重點進攻，再由重點進攻被迫中止進攻。
淞滬抗戰激勵全國，後方官兵紛紛請纓抗戰，蔣介石拒絕再向上海增兵。而日本內閣決定組建上海派遣軍，派前陸軍大臣白川義則任司令官統一指揮。2月27日起，上海日軍又得到陸軍第11、第14師的增援，總兵力增至9萬人、軍艦80艘、飛機300架，戰鬥力驟增。當時中國守軍總兵力不足5萬，裝備又差，而且經一月苦戰，傷亡比較嚴重，左側瀏河地區江防薄弱。白川汲取前三任指揮官正麵進攻失利的教訓，決定從翼側瀏河登陸，兩麵夾擊淞滬守軍。3月1日，指揮第9師等部正麵進攻淞、滬，以第3艦隊護送第11師駛入長江口，從瀏河口、楊林口、七丫口突然登陸，疾速包抄守軍後路。淞滬守軍腹背受敵，被迫退守嘉定、太倉一線。2日日軍攻占上海，3日戰事結束。
停戰
中國方麵，蔣介石於事變發生後複出主理軍事，以中央軍第八十七、八十八師及稅警團、教導團為第五軍，由張治中指揮，於2月16日加入上海作戰；之後蔣再調正在江西圍剿共軍的第十八軍陳誠部入浙。中國軍隊在國民支持下，在江灣一帶抵抗日軍進攻至3月2日，由於日軍在太倉瀏河登陸，形成腹背受敵的局麵，於是全麵從前線後撤。3月3日，日軍占領真如、南翔後宣布停戰。