日军第一次增兵及失败
     日军停战后，竭力增兵。日本海军省立即命令佐世保第二十六队驱逐舰4艘，由巡洋舰“龙田号”统率，于1月30日抵达上海并于黄浦码头登陆，随舰而来的包括佐世保第三特别陆战队士兵474人及大批军火。
     1月31日晨，日本航空母舰“加贺号”(26000吨)和“凤翔号”(7470吨)搭载第一航空队约30架飞机抵达上海，停泊于上海以东约130公里的马鞍列岛海面;下午4时，巡洋舰“那珂号”(5195吨)、“由良号”(5100吨)和“阿武隈号”(5100吨)3艘及水雷舰4艘抵沪，并载陆战队2000多人，分批登陆。
     2月1日，日本邮轮“照国丸”载来横须贺第一特别陆战队(525人)于上海汇山码头登陆。
     2月2日，日本海军中央部将长江一带第一遣外舰队之外的舰船，以“出云号”为旗舰(“出云号”2月6日抵达上海)，由海军中将野村吉三郎为司令官，组成第三舰队，统一指挥投入战斗。
     日军兵力增加后，于2月3日开始，再度向闸北、八字桥等地的中国守军猛攻，仍被中国守军击退。2月4日，日军发动第一次总攻，战火扩大到江湾、吴淞一线。激战竟日，吴淞露天炮台，虽被敌狂轰滥炸摧毁，但在中国守军抵抗下，日军始终不能登陆。当时调归十九路军156旅第4团指挥的第88师高射炮连击落日机一架。此次总攻被粉碎后，盐泽幸一被撤职调回本国。
     接替盐泽职务的是新组建的第三舰队司令官野村吉三郎中将。野村到职后，日军开始增援陆军。早在上海局势紧张时，日本就曾打算派遣陆军，但是为海军所拒绝。可随着战事不利，海军不得不向陆军求援。2月2日，日本内阁便决定正式派遣陆军。由于上海战况告急，决定派出上海派遣混成旅团(旅团长下元熊弥少将)与第九师团(师团长植田谦吉中将)，并先行运送上海派遣混成旅团和独立战车第二中队等部(此后称混成第24旅团)。同时，日本海军也增派横须贺第2特别陆战队赴援上海。混成第24旅团于7日午后在吴淞登陆。至此，日本海陆空军已增至万人以上。2月8日拂晓，日军混成第24旅分3路向张华浜、蕴藻浜、吴淞镇进攻，均被我击退。

     2月10 日，中国守军第122旅第6团由刘家行进至杨家行，防守胡家庄沿蕴藻浜北岸至吴淞之线。请缨赴援的张治中第5军第87师第261旅于12日由南翔进至嘉定，并派1个团接替罗店第122旅第4团之防务。
     2月11日，野村对西方记者说：“日军渡过蕴藻浜之日，即为日军行动终止之时。”又说：“日军在吴淞踏平华军濠沟之日，为时不远。请渚君拭目相观，届时即可结束华东之抵抗。”
     11日下午，日军在闸北狂轰溢炸的同时，向蕴藻浜、曹家桥一线大举进攻，并不断增援.十九路军猛烈抗击，双方肉搏，战况极其激烈。至晚，进犯之敌被全部击退。13日，日军陆军一个大队一度越过蕴藻浜、纪家桥一线，当即遭到第六十一师张炎旅的夜袭。中国军队夺获枪械甚多，终使敌军溃败。至此，野村企图从几路包抄吴淞中国军队的计划，终被粉碎。
     日军第二次增兵及中方庙行大捷
     2月8日，日军在吴淞遭受重创的消息传到东京后，根据日本天皇批准的敕令，日军参谋总长载仁急令陆军第九师团(师团长植田谦吉)火速增援上海。2月13日午后，第九师团主力到达上海港，16日，该师团全体官兵于吴淞登陆完毕。由此，第九师团长植田中将接替了野村的统帅职务。此时，日本侵略军海陆空兵力已达3万余人，野炮六、七十门，飞机60余架，并有舰艇数十艘集中于吴淞口。
     植田首先于13日深夜发表声明，宣称：“如有妨害本师团执行任务者，必将采取果断措施，决不踌躇。”18日，植田又向蔡廷锴提出了最后通牒，内称：“贵军应立即停止战斗行为;并应在2月20日午后5时前，从下列地区撤退完了：在黄浦江西岸地区，从连接租界西端曹家渡镇、周家桥镇及蒲淞镇以北撤退;在黄浦江东岸地区，从连接烂泥渡及张家楼镇线以北撤退，各撤退至距离各租界边界线20公里地区(包括狮子林炮台)以外。同时，撤除在以上地区内的炮台等其他军事设施，并不得再设置。……以上各条如不见实行，日军不得已将对贵军采取自由行动，由此产生的一切后果，应由贵军负责。”
     蔡、蒋接到植田的最后通牒后，下令前线部队向日军阵地猛烈开炮，作为对植田最后通牒的回答和警告。
     20日晨，植田令日军全线总攻，采取中央突破，两翼卷击的战法，以第9师团主突江湾、庙行结合部，企图北与久留米旅围攻吴淞，南与陆战队合围闸北。日军先以大炮轰击，继之以步兵协同坦克部队，分两路进犯张华浜一线和杨树浦一线，均被中国守军击退;闸北日军千余人和坦克十余辆，因触地雷，死伤枕藉。21日，植田亲自指挥步兵数千人，在飞机、大炮配合下，向中国守军阵地冲击，双方伤亡均重，战斗延至23日黎明，日军试图从江湾车站包抄江湾镇，中国守军英勇抗击，多次冲锋，生俘日军空闲升少佐及士兵数百人，日军不支始溃退(日军侵华战争P181)。
     庙行方面，原十九路军防地，于16日起为增援的第五军接防。第五军军长张治中，下辖第87师、第88师和陆军军官学校教导总队，全军约二万多人。第87师(张治中兼师长，副师长王敬九)下辖孙元良的259旅，宋希濂的261旅，担任胡家庄沿蕴藻浜北岸经曹家桥至吴淞以西之线;第88师(师长俞济时，副师长李延年)下辖钱伦体的262旅，杨步飞的264旅，担任由江湾北端经庙行镇、周巷至蕴藻浜南岸之线，教导总队(总队长唐光霁)之一部担任狮子林南北闸汭、川沙口、浏河口、杨林口、七丫口沿江一线警戒。
     22日，日军第九师团倾巢出动，进犯第五军88师之庙行阵地，飞机轰炸竟日不停，数千发炮弹轰击中国守军阵地。但在张治中亲自指挥下，由孙元良旅、宋希濂旅和十九路军61师的三面夹击下，敌遭惨败，庙行阵地终于转危为安。日军第九师团及久留米混成旅团之精锐，伤亡惨重。此即为“庙行大捷”。此后数日，敌军虽不断轰击和进攻，但均被守军击退。日军遭受重创，由全线进攻转为重点进攻，再由重点进攻被迫中止进攻。至25日，植田的总攻计划也宣告破产。