第三战区司令部于10月18日发布《第三战区作战命令第五号》，正式决定举行蕴藻浜两岸反击战。左翼作战军和中央作战军，分别由陈诚和朱绍良在19日下达进行反击战的命令和作战部署。这次大规模反击战分为3个方面展开，置重点于蕴藻浜南岸：“第21 集团军应以步兵6团为基干，编为第一路攻击军……由谈家头、陈家行正面攻击前进， 保持重点于左翼。第一攻击目标为盛宅、桥亭宅、顿悟寺之线。第二攻击目标为西塘桥、东赵家角、西六房之线。第19集团军应以第66军编为第二路攻击军，由孟家宅、马家宅正面攻击前进，保持重点于右翼。其第一攻击目标，为杨家宅、徐宅、唐桥头及以北之线。第二攻击目标，为田都、孙家头之线。第15集团军，应以第98师编为第三路攻击军，由广福、费家宅正面攻击前进，应保持攻击重点于右翼。第一攻击目标，为彭家宅、张家宅、倪家宅之线。第二攻击目标为老宅、张家宅(张宅东侧)之线。除以上三路攻击军以外，其他第一线正面各师，除守备阵地部队外，应各编成数个突击队，向敌阵地要点出击，以策应攻击军之战斗。邻接攻击军之各师，应抽调预备队联系攻击军前进，掩护其侧背。”这次反攻战还调集了在前线能够使用的炮兵部队，包括炮兵第2、第3、第4、第10、第16团，以及中央军校教导总队炮兵营和中央炮兵学校练习队。如此集中地使用炮兵于一个反击战役之中，在整个八一三淞沪会战中，可说是绝无仅有的。
     在这次大规模反击战的原定计划中，作战目标包含有以下3项：1. “击破渡过蕴藻浜南岸之敌”，恢复蕴藻浜、走马塘中间地带的阵地，以解除江湾、大场、闸北所受的日益严重的威胁，这是这次反击战的主要目的。 2.进击蕴藻浜北岸日军阵地，截断刘(行)罗(店)公路和宝(山)刘(行)公路，“恢复刘行”。3.“迫敌江边”，即把日军向东驱压至长江沿岸，这是反击战役要争取的最后目标。为统一这次反击战的指挥，顾祝同、陈诚征得蒋介石的同意，指定第19集团军总司令薛岳为前线总指挥。从作战计划和作战目标的规定而论，第三战区统帅机关对这次反击战的企图是很为积极和广大的，如果这些目标果能实现，则淞沪会战的形势将为之一变，敌攻我防的战场态势就会易位。然而，以战场的实际状况分析，中国军队并无取胜的把握，相反却存在遭受失败的很大可能。在中国军队准备发起反攻的前夕，日军在10月19日至21日继续向蕴藻浜南岸发动攻势，其炮火威力日盛，后继的战车亦相继渡过河浜，直冲守军。中国第1军伤亡过重，后调第二线整补，所遗张家楼一带阵地，由第171师、第174师接防。这时，从后方调来的第18师、第33师、第53师进入战场，配置于大场、小南翔之间走马塘一线，筑阵守卫， 构成拱卫走马塘的第二道防线。

     正在日军的攻势十分凌厉的情况下，10月21日晚，中国军队发起了大规模反击战。 当晚19时，炮兵开始火力准备，向日军阵地进行破坏性射击。20时，各路担任反攻的步兵部队开始出击。第21集团军分为左翼和右翼同时揭开战幕。左翼在176师师长区寿年指挥下，以谢鼎新团为前导，从陈家行向顿悟寺、桥亭宅进击。匍行越出本阵地，即与攻击前进的日军对仗。经奋勇冲锋，几次发动突击，将日军击退，遂将顿悟寺收复。但前进途中，因河流交错，后续部队通过不易，先头部队未敢孤军深入，而经通宵战斗，天色将明，难以继续前进，仅留1个营守卫陈家行前方新收复之阵地，将主力撤回。右翼在第48军副军长兼174师师长王赞斌指挥下，以黎式谷团为前导，从丁家桥以南向桃园浜进攻，企图收复被敌匍行攻占的丁家桥、桃园浜、北侯宅。但攻击部队对渡河未有准备， 因敌军凭河顽抗，终未越过。为避免天明后遭敌炮击和空袭，遂撤回原阵地。21集团军反击战的首次作战，收效甚微。
     10月22日，21集团军继续展开反击，而日军也在这天发动大规模进攻，一场惨烈的激战在这里展开。
     在陈家行方面，第176师谢鼎新团前锋部队1个营，坚守留守阵地，阻敌前进至当日午前，被敌包围，经反复搏击，营长刘玉池以下全部壮烈牺牲。陈家行小镇被日军炮火夷为一片焦土，原在该地守卫的173师1个营伤亡过重，被迫后退，阵地遂告陷落。当夜19时，173师519旅旅长庞汉祯率1个团进行夜袭，又将陈家行收复，但团附1人阵亡，营长1死2伤，连长以下伤亡更多。当晚该师师部和517旅与敌相持于孟家宅至陈家行一线。
     在张家楼、湾宅方面，第171师阵地受到日军坦克部队攻击，几经交战，阵地失而复得，然该师损失甚重，团长1人负伤，营、连指挥系统在战斗中被打乱，已难以发动反击，仅能死守原阵地待援。
     在谈家头方面，176师除以一部支援173师，其余部队向日军反攻，双方伤亡均极惨重，日军遭受痛击后，攻势顿挫。
     在丁家桥、桃园浜、北侯宅方面，174师经连日战斗，其2个团损失殆尽，不堪再战。师部于22日调513旅的2个团接防。日军炮兵、空军的火力极猛，并以坦克助战，攻击异常激烈。513旅伤亡营长3人，团长和团附各1人负伤，无力突破敌之火力网发展攻势，经奋力支持，阵地才未失陷。
     10月23日，反击战进入第3天，也是最为关键的一天。21集团军的《战斗详报》以异常沉重的语言概括了这天的战斗：“本日敌之陆空步炮、战车、毒瓦斯等诸种火器，如狂风骤雨急剧向我阵地进攻，亦为本集团军参战以来最为惨烈的抗战之日。”担任反击的4个师，这天与进攻日军展开全线激战，伤亡空前严重，反击战被迫停止。
     这天的激战，成为这次反攻战终于失败的一战。21集团军战至这天下午，在第一线参战的广西部队4个师，兵力损失在五分之三以上，已无继续作战的力量。朱绍良和陈诚于当日下午先后电令廖磊，将前线防务交由第32、第14、第53师等部接替，将部队撤回京沪铁路以南、苏州河北岸进行整理。当晚20时以后，第7军和第48军的4个师开始撤出战场，从而结束了这一场历时3天的反击战。
     在中央集团进行反击的同时，左翼集团也在10月21日至23日之间向广福南北一线日军举行反击。20日15时，第15集团军副总司令兼第16军团军团长罗卓英发布命令，部署对“广福南北两侧地区及蕴藻浜南岸侧击，转移攻势”，规定上述地区各部队除守备阵地以外，以强大部队各编成数个突击队，向当面之敌进行攻击，并占领预定的阵线。左 翼作战集团参加反攻的，有第98、第44、第60、第31、第58、第56师等各部。从21日晚开始，各部突击队纷纷出击，当夜歼敌1000余人，攻占前进据点多处，98师进至南北梅宅，66军进至老陆宅，但战局未获大的进展。次日，日军在广福附近倾力进行攻击，敌我双方相遇遭遇，战况激烈，第16军团部队攻势被阻。至23日，左翼军的反击战也陷于停顿。
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