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此役***方面先后投入8个集团军又48个师、15个独立旅、9个暂编旅、中央军校教导总队、炮兵7团、财政部税警总团、宪兵1个团、SH市保安总团、SH市警察总队、JS省保安团4个团，3队海军舰队，兵力总数在60万人以上。
加上不久后赶赴SH参战的第21集团军及川军刘湘部5个师，***军总兵力已达75个师、70余万人。
日军投入5个师团1个旅团达13万人，鏖战两个月后，日军终于依靠强大的火力突破中国军队防线。
10月20日，日军秘密组建第10军准备对中国军发动总攻。
中国军队围攻RB陆战队示意图队实行大包围，11月5日日军第10军8万人在金山卫登陆，******因幻想九国公约签字国的干涉，拖延了撤退时机，但此时西方国家绥靖之风盛行，称中国军队主动在SH非军事区挑起战争为破坏和平，对中国的要求置之不理。
几天后，日军包围网即将形成，前线中国军队大乱，部分部队为避免被围已经自行组织撤退。
******仍死抱着对国联不切实际的幻想，迟迟不肯下令后撤，耽误了宝贵的时间。
最终撤退时，因没有讲明各部队撤退顺序，三四十万中国将士挤在几条公路上，被日军空军轰炸，大撤退变成了大溃逃，数十万将士在撤往南京时分散，为南京保卫战的失利埋下伏笔。
12万守军各自为战，无法统一作战，数天SH就告陷。
此次为中国军队第一次军种（空军、海军、陆军）和诸兵种（步兵、炮兵、坦克）大规模协同作战，协同效果很差：步兵逼坦克冲锋又不予以掩护，结果坦克被日军全部击毁；
步兵失去坦克掩护后攻坚伤亡惨重，甚至出现一个营部队挤在一条街内被日军堵住街口全部击毙的悲剧。
陈诚回顾SH围攻未胜的教训，认为“以5师之众，对数千敌陆战队实行攻击，竟未能奏效，实在是当时部署种种不当的缘故”。
史说回忆，“步兵与炮兵、战车协同作战的训练从来没做过”。
日军逐渐掌握战场的主动权，RB最高层决定将侵华的主要作战方向由华北转移到SH并要求加快SH战役进程，再次作出增兵的决定。
将华北方面军所属第9、第13、第101师团转隶SH派遣军序列。
此外，还从台湾调来了步兵旅团、重藤支队、第1后备步兵团以及伪靖安军第1旅、伪李春山旅和伪于芷山旅等部队。
这样，加上原有的几个师团，日军到9月下旬在SH的兵力，光步兵就达到了当初松井石根要求的5个师团，算上空军和海军的兵力，日军在沪总兵力达到20万人。
面对敌人调兵遣将，国民政府迅速增派各省及中央军部队至淞沪参战。
集团军中，除了原有的第8、第9、第15集团军外，又增加了薛岳的第19集团军、刘建绪的第10集团军，稍后，又调来廖磊的第21集团军。
中国军队转入防御后，日军开始发动大规模进攻。
9月22日，日军集中主力猛攻固守罗店的左翼军阵地，至24日夜，日军复以两个师团持续冲锋，****第159师、第160师全体阵亡。
第三战区司令长官部鉴于日军有以主力于宝浏公路两侧地区击破左翼军之势，为保存实力，持久消耗敌人，乃命令左翼军各部队逐次转入第二线阵地防守，相机打击日军。
此时，松井石根见从侧翼突入包围中国军队的企图无法实现，于是决定改分割包围为中央突破，集中兵力进攻蕰藻浜一线。
10月1日开始，日海军、航空兵协同地面部队发起新的攻击。北路以山室宗武第11师团指向广福、陈家行；南路集中第3、第9、第13、第101师团强渡蕰藻浜，向大场、南翔进攻，以切断大场至江湾地区守军与外界联系，使之成为孤军。
10月5日至9日，****第8师、第59师、第61师、第67师、第77师、第90师及税警总团等作战部队相继退出阵地。
9日起，日军再度集中海空军火力，配合步兵向蕰藻浜南岸强攻，最终被中国守军遏止攻势。
10月15日，日军突破蕰藻浜，战局再度告急。
10月19日，中国守卫蕰藻浜南岸的部队，配合廖磊第21集团军发动全线反击。当日，日军吉住良辅第9师团、伊东政喜第101师团及第3师团一部，亦向蕰藻浜南岸发起猛攻。
激战至25日，部队被迫撤退。左翼军4个团在广福南侧向北路日军反击作战，也被日军击退。日军乘机反扑，兵锋直指大场。
10月23日，日军以重兵直趋真太公路，威逼大场左翼。刘行方面日军，渡过蕰藻浜后攻向大场以西塔河桥，我军第18师朱耀华、第26师刘雨卿、第67师黄维等部经过艰苦抗击，阻住日军攻势。
此时，中国军队从大场东面，经大场、市中心向东北而成一半圆形阵线，绕于江湾以北。庙行、大场位置突出，遂成日军眼中钉，日军调集各种火炮、飞机集中猛烈轰击，方圆数里，几为焦土。
日军接着又以40余辆战车为前导，掩护步兵夺占胡家桥、塔河桥、走马塘等处阵地。守军为保存实力向南翼转移，大场失守。
大场丢失全线撼动，塞克特防线实际上已被突破。第三战区只得作出放弃北站--江湾阵地之举。中央军部队撤退到苏州HN岸，左翼军也奉命转移，至10月28日，中国军队退入浏河、沈家桥、朝王庙、徐家行、广福、陈家行、江桥、北新泾至梵王渡一线的第二期既设防御阵地，新防线长达35公里。
淞沪会战进入10月底和11月初，中国军队虽处于被动地位，一再后撤，但仍控制SH这无疑是与RB当初的判断和盘算背道而驰的。RB统帅部决定将战略重点转向华中、华东。
为此，决定成立华中方面军，日军统帅部还于10月20日下令从华北和国内抽调第6、第18、第114师团，国崎支队（第5师团第9旅团），独立山炮第2团，野战重炮第6旅，第1、第2后备步兵团等部队共约12万人，组成第10军，由柳川平助中将担任司令官，准备实施登陆作战以打开局面。
同时命将在华北的中岛今朝吾第16师团转隶SH派遣军序列，淞沪前线日军兵力至此增至27万人。其中包括陆军9个师团另2个旅团、海军第3和第4舰队主力及空军力量。
就在敌人大举调兵遣将、即将大兵压境之际，******却又深陷于列强干涉制止RB侵略的希望中，并宣布撤销撤退命令，各部队坚守原先阵地。
短短时间内命令两次反复，使得中国守军士气大受影响，队伍秩序开始出现混乱。
11月5日拂晓，RB新组建第10军在柳川平助指挥下，由舰队护送在杭州湾金山卫附近之漕泾镇、全公亭、金丝娘桥等处突然登陆，包抄淞沪中国军队防线南方的背后。
因******一直认为日军全力进攻SH正面，不会有从杭州湾登陆的可能，故在战事趋于激烈、兵源枯竭之时，将防守杭州湾的部队一一投入前方战场。
到日军登陆时，在杭州湾北岸从全公亭至乍浦几十公里长的海岸线上，仅有陶广第62师的2个步兵连、炮兵第2旅2团6连及少数地方武装防守，遂迅速即被日军击溃。
日军登陆成功后，SH派遣军与第10军合编成立华中方面军，由松井石根统一指挥，日大本营规定其作战地域为联结苏州--嘉兴一线以东，任务以挫伤敌之战斗意志，获得以结束战局为目地，与海军协同消灭SH附近的敌人。
第6、第18师团按照预先部署，分别向松江、沪杭铁路扑去。
******得知日军登陆金山卫的消息后，立即命令淞沪战场前敌指挥官陈诚作出应变处置，陈诚急令右翼军的东北军吴克仁第67军前往增援松江，却未能退敌。
11月8日夜，日军凭借强大火力从东、南、西三面突入松江城，第67军全军覆没，日军遂占松江。随即兵分两路，一部沿太湖东岸，经ZJAH直趋南京，主力则指向枫泾镇、嘉兴、平望。
9日，切断沪杭铁路及公路。与此同时，日第16师团在中岛今朝吾指挥下在JS太仓境内的白茆口登陆成功，前锋直指京沪铁路和公路，形成合拢之势。
苏州HB岸的日军6个师团于10月31日强渡苏州河后，迅速向两路登陆日军靠拢，淞沪地区中国70万大军顿陷危险境地。
11月8日晚，******下令进行全面撤退，所有部队撤出SH战斗，分两路退向南京、苏州--嘉兴以西地区。由于命令仓促，指挥失控，大撤退结果演变成全面大溃退。
自9日起，日军击退中国军队零散抵抗，连占虹桥机场、龙华、枫泾、青浦。11日，日军进至苏州河岸，南市及浦东我担任掩护任务的部队奉令撤出阵地。当日，SH市长俞鸿钧发表告市民书，沉痛宣告远东第一大都市--SH沦陷。