在独立二十旅休整练兵的同时，淞沪战局也在发生着巨变。随着第三、第十一师团的增援，日军海军组建新编第四舰队和原第三舰队组成联合舰队，由长岛川清统一指挥，下辖舰艇三十余艘，其中三艘是航母。
同时，由陆航210架战机、海航180架战机组成特设航空队，抢占淞沪战场的制空权。
缺乏现代军舰，吨位又落后日军几十倍的中国海军在长江口的海战中迅速被日军击败，几乎全军覆没，至此日军海军军舰从长江口长驱直入，直接威胁江阴要塞，同时利用其大口径的舰炮有利地支援了射程范围内的陆军作战。
同样，年轻的中国空军在会战初期一度占有优势后不久，很快被数量庞大，性能优异的日军航空队击败。淞沪战场的制空权完全被日军控制，除了连番轰炸淞沪战场，日军飞机甚至突袭了杭州、南昌等中国空军重要机场，几次轰炸中国首都南京。
四月二十五日，日军连续以军舰、飞机、坦克支援，第十一师团向重新被中国军队夺回的月浦和宝山发动猛烈进攻，从江湾撤下来驻守这两个地方的第九十八师夏楚中部由于伤亡惨重不得不撤退。次日，负责殿后坚守宝山的五八三团三营姚子青部死战不退，最终全军覆没，宝山沦陷。
十一师团在占领宝山后，以第十旅团沿宝罗公路向西攻击，吴淞方面第三师团也越过泗塘河西攻，一零一师团成功地和被中国军队包围的在江湾镇和杨树浦的日军海军特设第一陆战队会合。第九集团军和十五集团军一部顿时面临腹背受敌的威胁。
由于中国方面因无力占据海、空控制权，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。五月一日第三战区发布的第二期作战计划：战区以持久抗战之目的，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。至此，淞沪战场上中国军队被迫正式转为防御。
五月三日，日军第三师团沿军工路、淞沪公路；第十一师团则在月浦、罗店之线向中国军队发动强大攻势。五月五日，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。
日军逐渐掌握淞沪战场的主动权，日本最高层要求加快上海战役进程，“大致以五月中旬为期，务必对中国军队给予重大打击，造成使敌人屈服之形势。”
但是淞沪会战打了一个多月，战事久拖不决大出日军意料。日军虽然凭借装备和武器优势，将中国军队的进攻一一挡回，但是中国军队前仆后继、悍不畏死的英勇顽强抗战，也给向以战无不胜自诩的“皇军”重大杀伤，日军进展却并无多少。为了尽快结束上海战事，不使陆军大臣杉山元和海军大臣米内光正联合提出的“三个月解决中国事变”成为一句空话和笑柄，日本军部不得已再次作出增兵的决定。将在华北和中国军队对峙的第九、第十三师团转隶上海派遣军序列，此外，还从台湾调来了步兵旅团和重藤支队。这样，加上原有的几个师团，日军到五月中旬在上海的兵力，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。
面对日军调兵遣将，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，蒋介石不惜血本，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和廖磊的第二十一集团军。
同时对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。
第九集团军和第二十一集团军为中央兵团，朱绍良为总司令，下辖十个军二十八个师、一个独立旅、一个炮兵旅、一个上海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川军刘湘部的五个个师，中国军队的总兵力已经达到七十个师，将近七十余万人。
中国军队转入防御后，随着增援部队的相继到达日军开始发动大规模进攻。五月二十日，日军集中第十一师团和第十三师团全部主力猛攻固守战略要点罗店的左翼军阵地，防守这里的罗卓英的第十八军和叶肇的第六十六军拼死抵御，阵地屹立不动。次日黎明至二十二日夜，日军复以两个师团持续冲锋，第六十六军的一五九师和第一六零师遭受重大伤亡，阵地全毁，守军无一幸存。
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