1月29日凌晨，日机从停泊在黄浦江上的“能登吕”号航空母舰上起飞轰炸闸北华界，宝山路584号商务印书馆及东方图书馆（中国最大的私人图书馆，藏书超过三十万册）均被炸毁。闸北多处燃烧。但日本陆战队夺占北站的企图以失败告终。
1月31日，日本援军抵达上海，有巡洋舰4艘、驱逐舰4艘、航空母舰2艘及海军陆战队7000余人。2月1日，日本军舰从长江上炮轰首都南京。国民政府宣布迁往洛阳，表示决不屈服（年底才迁回南京）。2月初，1万多日军多次进攻吴淞，均被击退。2月13日，日军劲旅久留米混成旅团千余人，在蕴藻浜曹家桥偷渡成功后，在永安纱厂门前被中国重兵包围，又有60名敢死队员实施自杀攻击，1600日军全军覆没。日军遭受重创，一举占领吴淞的企图遂破产。之后战事扩大，日军四易主帅，指挥官由海军少将改由海军中将任，最后以陆军大将，前陆军大臣白川义则担任；数度增兵后日方最后投入兵力超过三个师团七万人；并兼以海空军、战车助战。
停战
中国方面，蒋介石于事变发生后复出主理军事，以中央军第八十七、八十八师及税警团、教导团为第五军，由张治中指挥，于2月16日加入上海作战；之后蒋再调正在江西围剿共军的第十八军陈诚部入浙。中国军队在国民支持下，在江湾一带抵抗日军进攻至3月2日，由于日军在太仓浏河登陆，形成腹背受敌的局面，于是全面从前线后撤。3月3日，日军占领真如、南翔后宣布停战。
5月5日，中日在英、美、法、意各国调停之下签署《淞沪停战协定》。日军返回战前防区（上海公共租界北区、东区及其越界筑路地带），中国军队暂留现驻地（沪宁铁路上的安亭镇至长江边的浒浦一线），交战区划为非武装地区。
在两国正式签署停战协定前，日人在4月29日于虹口公园举行阅兵，庆祝日本天皇长寿的天长节及日军胜利。韩国人反日志士尹奉吉混入人群中，向主宾席投掷炸弹，结果白川义则被炸死，日本驻华公使重光葵被炸断一腿，植田谦吉中将师团长被炸瞎一目。尹奉吉后来被捕，在日本被处死。
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