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、八字桥等地的第三军第7师猛攻，仍被击退。
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，但在第三军第7师的抵抗下，日军始终不能登陆。
而在空战方面，马德尚仅仅只触动了一百架飞机，一次性将日军四十多架飞机击落，获得制空权，开始对日军进行大规模的轰炸，包括炸毁一艘军舰。
此次总攻被粉碎后，盐泽幸一被撤职调回本国。
进攻受到重创的日军，并没有想要放弃，于是由新组建的第三舰队司令官野村吉三郎中将接替盐泽职务。
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，均被第三军击退。
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。有缘书吧yyshu8
2月13日午后，第九师团主力到达上海港，2月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，飞机一百余架，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。”
马德尚立刻安排回应：“犯我中华者，虽远必诛，对待入侵日军，绝不留情！”
18日，植田又向马德尚提出了最后通牒，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。”
马德尚在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，足足两百架飞机对日军军舰进行地毯式轰炸，作为对植田最后通牒的回答和警告。
2月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。
2月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。
但是制空权被中方牢牢把握住，马德尚布置的三十多门德国重榴弹炮可以轻松的打到近海的军舰，日本的飞机、大炮、军舰统统被压制。
日军伤亡惨重，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。
日本主力第9师团抵达上海后，准备对上海守军发动第二次总攻。其计划是从闸北到吴淞实行全线攻击，以牵制中国军队兵力，主力则集中指向江湾、庙行，企图占领这两个要点，实现“中间突破”，切断第三军和第一军的联系，然后各个击破。
2月22日拂晓，日军出动飞机十余架，不断在庙行阵地上空往返侦察轰炸，海军舰炮及陆军重炮向庙行阵地猛烈轰击。与此同时，日军炮火猛烈轰击蕴藻浜阵地，企图强渡蕴藻浜，以策映庙行作战。
不过这十余架飞机很快就成为了中方战机的猎物，瞬间被击落，而海军舰炮还没有开火就被榴弹炮压制住，纷纷撤离到安全海域，同时无法对陆地上的中国军队造成伤害。
战斗已经打了接近一个月，但是上海自卫军却还是战斗力十足，减员并不多，截止现在不过才损失一千多人，而日军已经损失接近一万人，国内报纸争相报道，宣扬上海自卫军的勇猛。
南京政府见状，也开始积极应对起来，特别是在国际上获得不少西方国家的支持。