宝山保卫战进行的同时，罗卓英的第十五集团军为克复罗店，与日军再度激烈交战。但日军在占领宝山后，以一部沿宝罗公路向西攻击，吴淞方面日军也越过泗塘河西攻，日军尚不断在各地登陆，中国军队顿时面临腹背受敌的威胁。至九月中旬，日军援兵陆续开到，中国方面因无制空和制海权，在进攻敌据点、抗击敌登陆和逐地争夺战中损失惨重，部队疲惫至极，被迫转入防御。此前，九月六日，第三战区发布的第二期作战计划：上海战区以持久抗战为目地，限制登陆之敌发展，力求各个击破之效。各个击破不能达成时，则依次后退于敌舰射程外之既得陆地，施行顽强抵抗，待后方部队到达，再行决战而取最后胜利。已做好攻坚不利转而实施防御作战的准备。
九月九日，日军沿军工路、淞沪公路和月浦、罗店之线向中国军队发动强大攻势，我军同敌展开殊死搏杀，九月十一日，第十五集团军右翼阵地被突破，部队减员严重，遂渐次退至罗店以南施相公庙、浏河之线预筑阵地，第九集团军亦转移到北站、江湾、庙行、蕰藻浜右岸之线预筑阵地，与日军形成对峙。日军逐渐掌握战场的主动权，日本最高层决定将侵华的主要作战方向由华北转移到上海，并要求加快上海战役进程，再次作出增兵的决定。将华北方面军所属第九、第十三、第一零一师团转隶上海派遣军序列，此外，还从台湾调来了步兵旅团、重藤支队、第一后备步兵团以及伪靖安军第一旅、伪军李春山旅和伪军于芷山旅等部队，这样，加上原有的几个师团，日军到九月下旬在上海的兵力，光步兵就达到了当初松井石根要求的五个师团：第三师团：师团长藤田进，第十一师团：师团长山室宗武，第九师团：师团长吉住良辅，第十三师团：师团长荻洲立兵，第一零一师团：师团长伊东政喜。算上空军和海军的兵力，日军在沪总兵力达到二十万人。
面对敌人调兵遣将，国民政府也决定迅速增派各省及中央军部队至淞沪参战。为打赢这场硬仗，蒋介石把当时的精兵良将几乎全部派到了淞沪前线。集团军中，除了原有的第八、第九、第十五集团军外，又增加了薛岳的第十九集团军、刘建绪的第十集团军，稍后，又调来廖磊的第二十一集团军。九月二十一日，前线部队部署也做了调整，以应对作战需要：第十五、第十九集团军编为左翼兵团，陈诚为总司令，下辖三个军团、江防军总司令部及总预备队，共约十六个师、两个要塞司令部、四个独立团、一个江苏保安队；作战地域为蕰藻浜以北的万桥、罗店、广福地区；第九集团军为中央兵团，朱绍良（取代因病调任大本营管理部任部长的张治中）为总司令，下辖七个军十八个师、一个独立旅、一个炮兵旅、一个淞沪警备司令部和一个上海保安总队；作战地域为北站、江湾、庙行一线及其以西地区；第八、第十集团军为右翼兵团，张发奎为总司令，下辖十个师、三个独立旅、三个新编旅、一个中央军校教导总队和一个岸防部队；作战地域为苏州河以南至杭州湾北岸地区。加上不久后赶赴上海参战的第二十一集团军及川军刘湘部五个师，国民党军总兵力已达七十五个师、七十余万人。
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