自1932年初，日军统帅部就一面派人在上海寻机挑衅，制造侵华借口，一面向淞沪地区增兵。1月23日，日本海军“大井”号巡洋舰和第15驱逐舰大队抵沪，并随舰运来吴港第1海军陆战队457人。24日，日本水上飞机母舰“能登昌”号抵沪，舰上载有水上侦察机8架。28日，日军第1驱逐舰战队的“夕张”号巡洋舰及第22、第23、第30驱逐大队抵沪，又随舰运来佐世保第2海军陆战队468人。
在此之前已经进入我国长江活动的日本军舰有：在上海的“安宅”号、“常磬”号；在吴淞的“浦风”号；在镇江的“势多”号；在南京的“平户”号、“天龙”号、“对马”号；在芜湖的“保津”号、“比良”号；在九江的“热海”号；在大冶的“伏见”号；在汉口的第24驱逐舰大队和“宇冶”号炮舰、“小鹰”号布雷舰；在长沙的“隅田”号炮舰；在沙市的“鸟羽”号炮舰；在宜昌的“二见”号炮舰等。上述舰只统由日本海军第1遣外舰队司令官盐泽幸一海军少将指挥。舰队司令部设在上海杨树蒲日商公大纱厂内。日本海军上海陆战队司令部设在四川北路，其兵力约2000人，统归第1遣外舰队指挥。
日军开始登陆前，在上海地区的中国军队有第19路军第78师、吴淞要塞守备营、宪兵第6团等部。在民众抗日热潮的推动下，他们决心抵抗日军的进攻，并作了一定的准备。
1月28日21时30分，盐泽幸一命令各舰派出30％的舰员统一组成陆战队上岸，准备配合海军陆战队发动进攻。23时30分，日军开始向我闸北地区发起突袭。在八字桥附近同中国军队交火。中国军队坚守三义里、虬江路等处的阵地，击退了敌人的进攻。盐泽幸一加派陆战队，并出动装甲车助战；“能登昌”号的舰载机起飞轰炸了北站、商务印书馆等处。然而，日军进步甚微，一度攻占了北站，随后又被守军夺回。日军的装甲车有1辆被击毁，3辆被俘。日军亡20人、伤100余人。在吴淞口，日舰同守军的炮台也展开了激烈的炮战，互有伤亡。
1月29日20时许，中日代表达成协议，定于21日起停火。但是，在停火期间，日军仍不断向我军发射冷枪冷地，并急速调集援兵来沪。30日，日军“龙田”号巡洋舰及社26驱逐舰大队，运送往世保第3海军陆战队474人抵沪。1月31日至2月l日，日军第1航空战队的“加贺”号、“凤翔”号2艘航空母舰及第2驱逐舰大队到达长江口，又送来陆战队1个大队。2月2日，日本叶军为编第3舰队，任命野村吉三郎海军中将为司令官。他以“出云”巡洋舰为旗舰，来华直接指挥第1遣外舰队的侵略行动。2日下午，日军从四川北路向中中国军队发动进攻。在狄思威路、天通庵路发生激战，1架前来轰炸的敌机被击落。在此期间，以蒋光鼐为总指挥、以蔡廷锴为军长的第19路军也将在沪宁沿线的第60师、第61师部队急调上海布防。
2月3日8时，日军进攻闸北青云路、六三园。10时，日军第26驱逐舰大队及第3战队的“那珂”号、“阿武隈”号、“由良”号等38艘巡洋舰，在5架飞机的支援下攻击吴淞炮台。炮台守军奋力还击，击中了3艘敌舰，击落1架敌机。2月4日，日舰以猛烈炮火击毁吴淞炮台的6门要塞炮，守备营溃散。日军攻占炮台后不久，第19路军第156旅组织反击，夺回了炮台，并击伤敌舰2艘。在闸北，日军占领商务印书馆后，于傍晚撤出。2月5日，日军派出大批海军飞机，轰炸我军阵地和铁路线。中国空军起飞迎战，在真茹上空同敌“凤翔”号舰载战斗机群展开了两军之间的第一次空战。
2月7日，日本海军第2舰队的第2驱逐舰战队和第4战队护送首批陆军——第24混成旅团以及横须贺第5海军陆战队抵达吴淞口。日军在沪的海军陆战队向黄浦江南岸发动进攻，以便掩护前来增援的陆军和海军陆战队在吴淞码头上岸。此后，在沪的日本海、陆部队统由乘“出云”号到达上海的野村吉三郎指挥。与此同时，中国军队也调整了部署：第198路军第78师第156旅的第5团防守吴淞和宝山，第6团担任大场至真茹车站一线的警戒；第155旅的第1、第2团在真茹附近集结，第3团担任北新泾至二茹一线的警戒；第61师的第121旅和第22旅，由南翔分别推进到大场、刘家行地区，并从第121旅中抽出1个团担任江湾的警戒，从第122旅中抽出1个团担任浏河、川沙口一带的警戒；第60师守备闸北至河湾一线；第5军第88师独立旅及宪兵第6团守卫南市、龙华、虹桥、北新汪一线；第5军第88师和第87师第261旅在南翔地区待命，作为总预备队，统归蒋光鼐指挥。
2月8日，日军陆战队的大炮和海军飞机对闸北进行狂轰滥炸。敌陆军第24旅团向吴淞连续发起冲锋达10余次，均被击退。有一部日军从纪家桥渡河蕴藻浜，企图偷袭守军侧后，被发现后也被击退，为了加强胡家庄在沿蕴藻浜至吴淞一线的防御，第61师将第122旅的第6团从刘家行调到杨家行。12日，我军第261旅由南翔进至嘉定，并派出1个团接防罗店。当夜，日军第14联队第2大队在纪家桥附近架桥。13日拂晓开始渡河，占领了部分阵地。我军第122旅从三面包围了过河敌军。敌第24联队第1大队前来援救。在中国军队的勇猛打击下，两个大队的残余敌兵撤回吴凇。是日，植田谦吉中将率领日本陆军第9师团司令部、直属队及第6、第181旅团，在海军第2驱逐舰战队的护送下抵达吴淞口。此后，入侵融沪的陆上部队改由植口谦吉师团长指挥，而海上部队仍由野村吉三郎统辖。其陆上态势是：陆战队在闸北，第9师团进入八字桥至江湾一线，第24旅团在张华浜至蕴藻浜一线。
中国第19路军于14日分3路包围跑马场一带日军，经4个小时血战，攻克敌阵地，缴获野炮8门。这时，率领中国第5军后续部队及中央军校教导总队的张治中军长赶到上海，担任左翼军指挥。18日前，中国军队的布防进行了如下调整：以第19路上的第60师、第61师、第78师及第5军的第88师独立旅、宪兵第6团为右翼军，在蔡廷锴指挥下，防守南市、龙华、北新径、真茹、北站、八字桥、江湾一线；以第5军的第87师，第88师和第19路军的第156旅以及教导总队为左翼军，在张治中指挥下，防守江湾北端、庙行、蕴藻浜北岸、吴凇一线，另以一部在罗店、浏河、川沙日江岸担任警戒；总指挥蒋光鼐坐镇南翔。上海民众组织义勇军积极参战和支前。
18日，中日代表会谈未能取得一致意见。植田谦吉向蔡廷锴发出最后通牒要求中国车队在20日7时之前从闸北——吴凇一线阵地后撤20公里，遭到蔡廷锴的严正拒绝。
19日，植田谦吉向所属部队下达进攻命令。但有一架日军飞机却于这天飞临上海上空散发了大量号召日军反战的传单，并炸毁了靶场附近的日军营房。20日7时30分，日军在飞机、舰炮和陆炮的火力支援下，向闸北——吴淞一线发动全线总攻。敌人攻击的重点是庙行和江湾，企图中间突破，横扫闸北和吴淞。日海军第3战队的3艘巡洋舰以及2艘上逐舰炮击狮子林炮台和浏河镇，日第1驱逐舰战队的几艘驱逐舰攻击吴凇守军，以配合总攻。江湾守军3次击退敌第9师团4000余人和20辆坦克的进攻，炸毁敌坦克4辆。庙行守军也击退了敌2000余人的进攻。日海军陆战队对闸北的进犯，同样没有获得成功。日军第9师团司令部进至复旦大学就近指挥。敌军的攻击，直到21日仍无大的进展。突入孙家宅一带的日军第35联队，也遇到了空军的猛烈阻击，伤亡惨重。
22日，日军再次发动全线总攻。其第9师团主力猛攻江湾，第24旅团直扑庙行，海军陆战队攻击闸北。敌第24旅团冲人麦家宅守军阵地，企图直取大场，切断闸北——吴淞之间的联系。守军第88师浴血奋战，伤亡很大。我左翼军急调教导总队、第87师第259旅第518团实施反击，并以第61师第122旅的2个团从竹园墩出击，以第87师第261旅的4个营由纪家桥渡河抄敌侧背，三面夹击，歼敌一部，其余敌兵向南溃逃。守军恢复阵地后，由第259旅、第61师的3个团、第88师独立旅的1个团接防，第88师撤至庙行西南休整。这一天，中国军队共歼敌800余人，击毁坦克2辆，俘获装甲车1辆、野战炮20门，守军牺牲2000余人。敌“加贺”号航空母舰的飞行队长生田大尉在率队袭击苏州机场时，其座机被中国空军的美籍飞行员肖特击中，机毁人亡。后来，肖特也在空战中为保卫中国而献身。
日军这次总攻失败后，经过两天的休整与准备，又于25日发动了新的攻势。首先以海、陆军飞机向守军阵地实施航空火力准备，接着以各种火炮压制麦家宅、金家塘一带阵地，随后由步兵发起冲锋，占领了这两处的阵地。中国军队分3路从江湾、庙行、小场庙实施反击，经过激战基本上恢复了阵地。但是，为了改善防御态势和收缩兵力，守军于26日晨主动放弃江湾突出部阵地，退至金家塘—竹园墩一线。
日本海军飞机于26日袭击杭州军用机场，中国飞机奋起迎战，击落敌攻击机2架。吴淞、狮子林等地的中国炮兵也同日舰进行了激烈的炮线。27日，日军从江湾镇方向突破，守军第61师伤亡过重，后撤休整，防务由第88师和第87师部队接替。日军仍不能继续向前推进。
由于侵略军前进受阻，日军统帅部派第11师团前来增援。该师团的先遣部队在海军第2驱逐舰战队的护送下，于28日抵达吴淞。次日，日本上海派遣军司令官白川义则大将率领司令部、直属部队和第11师团主力，在海军第4战队护送下，到达长江口，接替植田谦吉任侵沪日军最高指挥官。在日军大量增兵的形势下，中国当局却未向上海派兵增援。敌第11师团进抵上海后，立即发动进攻，并攻占了芦窝湾。敌陆战队在八字桥附近同守军进行拉锯战，守军阵地三失三得，双方伤亡很大。与此同时，日舰炮击七丫口等地，击毁了狮子林炮台，并派飞机在测河附近上空侦察登陆点，还派3艘日舰驶至杭州湾乍浦海面活动，以转移视线。
3月1日拂晓，日军第9师团、第24旅团以及海军陆战队又向庙行、江湾以西和闸北等地发动猛攻。日舰向狮子林、杨林口、七丫口守军实施炮击，日机也向守军阵地投下了大量炸弹。敌第11师团主力乘坐第3战队和第1驱逐舰战队的军舰溯江而上，在七丫口附近登陆。当时，在七丫口、杨林口、浏河和小川沙绵延20公里江防线上，仅有教导总队1个营及义勇军守卫，兵力单薄。江防守军虽拼力抵御，但很快就被强敌突破了防御阵地。中国军队指挥部急调在田湾、唐桥的第261旅驰援。但该部仅有11辆汽车，沿途又遭敌机轰炸，直至18时，才有1个团赶到浏河。
这时，敌军已全部上岸，并占领了浮桥、茜泾营。这里的守军腹背受敌，闸北——庙行前线也伤亡剧增，援兵无望，遂于23时放弃阵地，向黄波、方太、嘉定、太仓一线退却，后又撤至昆山———常熟一线。3月2日，敌第11师团攻占了浏河，第9师团占领了大场，海军陆战队占领了闸北。次日，日海军陆战队在飞机、舰炮的火力支援下，攻占了吴淞炮台。敌第9师团占领了真茹，并协同第24旅团占领了南翔。日军第1师团的第22联队从南门攻进嘉定。中国军队退到第2道防线，即青阳江以西，昆山、福山一线。日军占据浏河、嘉定、南翔、真茹一线后，停止前进，对占领区进行“扫荡”。3月8日14时，白川义则发表《停火声明》。6日，蒋光鼐发表《停火布告》。6日起，日本增援部队第1师团陆续在吴淞上岸。7日双方开始停战。
5月5日，中日代表签订了《淞沪停战协定》，规定中国军队留驻原地，不能进入上海，日本海军陆战队撤回虹口，陆军离沪。
在这次战役中，日本陆军亡620人，伤1622人；海军亡149人，伤700人，占参战人员的17％。中国军队亡4086人，伤8584人，失踪756人，占参战人员的22％，另有市民伤亡1.5万人以上。中国军民这次抗击日军登陆的作战，虽然没有取得预期的胜利，但却有力地打击了侵略者，使其三易指挥官，付出了巨大的代价，并推动了我国抗日救亡运动的进一步高涨。
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