“七七”事变后，日军从东北入关，从北向南挤压。为了把日军的入侵方向变为由东向西，以利于长期作战，蒋介石策动在上海主动发起反击，引发中日双方在中国抗日战争中的第一场大型会战，也是第二次世界大战爆发前，规模最大、战斗最惨烈的战役。这场战役对于中国而言，标志着两国不宣而战，地区性冲突升级为全面战争。
蒋介石认为，在上海作战，比在北方大平原作战补给方便，能避开机动力占优的日军。上海是国际大都市，有外国租界，在这开战极有可能引起大国势力干涉，如果打得好，可能在外国调停下赢得光荣的和平。
调入上海的第一批部队是第87、88师，为国军精锐。秘密开到上海附近后，张治中建议抽调正规军化装为保安队进驻上海，蒋介石同意，命令驻扎在苏州的第2师补充旅第2团换上保安队服装秘密进驻虹桥机场等，以充实上海兵力。当时上海的中国驻军受限于1932年的《淞沪停战协定》，无正规陆军。
1937年8月9日，秘密进驻虹桥机场的中国军队打死前来侦察的日军大山勇夫中尉。此事发生后，蒋介石下令抽调大军由华北赶赴上海，准备集中兵力歼灭上海的日本海军陆战队，全歼日军长江舰队。在华北已开战的情况下，不能容忍日本海军陆战队在上海的存在。
8月13日上午9时过后，上海北站与宝山路一带爆发日军便衣队与中国保安队射击事件，接着事件扩大，上海各处都开始传出枪声与冲突。13日下午，在八字桥持志大学附近，中日双方爆发直接射击事件，两军立刻进入阵地待命；下午4时左右，日本陆战队司令部挂出战旗指令，停在黄浦江与长江水域的日本舰队，立刻轰击国军阵地与上海市区，国军反击。淞沪会战正式打响。
第二天，国民政府发表《自卫抗战声明书》，宣告“决不放弃领土之任何部分，遇有侵略，惟有实行天赋之自卫权以应之。”8月15日，日本正式宣布组建上海派遣军，以松井石根大将为司令官，率领两个师团的兵力开往上海增援，进一步扩大对中国的侵略战争。
为抢得主动权，赶在日本援军到达之前消灭驻沪日军，13日，张治中第9集团军对上海市区之敌发动进攻，同时出动空军轰炸日海军陆战队司令部、汇山码头及日军舰艇。攻击重点初为虹口，后转向公大纱厂。会战开始时，中国军队除两个精锐师外，还有两个装备德国火炮的炮兵第10团和第8团，加上坦克、空军助战，具有绝对优势。其时日军在上海仅有海军陆战队四五千人，紧急从日本商团中动员退役军人，合计也不过五六千人，重武器也不足。但是，他们依靠坚固工事顽抗，致使国军无法完成重大突破。
经数日苦战，第87师占领沪江大学，第88师占领五洲公墓、宝山桥、八字桥等要点，第2师补充旅接替第88师，防守上海爱国女校、持志大学，担任攻击虹口公园和江湾路日军司令部任务。日军于16日退守江湾，以日本海军陆战队司令部为中心据点，依凭坚固工事顽抗。
中国军队屡攻不克，自身伤亡很大。8月14日，第88师264旅旅长黄梅兴阵亡，为开战以来中国军队牺牲最高级别之军官。其旅伤亡1000余人，连排军官几乎损失大半。除在地面战场短兵相接，双方在海上、空中也展开全方位较量。
中国飞机于8月14日、17日和19日多次出动轰炸日军目标，并与日机展开激烈空战。8月14日，第4驱逐机大队大队长高志航率所部飞机于杭州笕桥机场上空击落敌机6架、击伤多架，首创中日战争史上击落日机的纪录。15、16日，中日空军连续激战，海军奉命以商船沉于十六铺，封锁黄浦江，以防止日舰溯江向上游进攻。
此次为国军第一次军种（空军、海军、陆军）和诸兵种（步兵、炮兵、坦克）大规模协同作战，但协同效果很差。陈诚回顾上海围攻未胜的教训，认为中方“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。”
会战之初，国军投入兵力3个师又1个旅、炮兵1个团又1个营、上海市警察总队、江苏保安队两个团，另有海军轻巡洋舰及驱逐舰10艘，炮艇、鱼雷艇20余艘，空军参战飞机250余架。陆军分为左右两翼，左翼为由京沪警备部队改编而成的第9集团军，司令张治中；右翼为张发奎担任司令的第8集团军，由苏浙边区部队改编而来。前者在浦西负责扫荡日军据点，后者在浦东担任警戒、支援和配合。
会战开始，中国政府成立大本营，以蒋介石为首，编定全国战斗序列，江苏长江以南（包括南京、上海）及浙江地区划为第3战区，冯玉祥为司令长官、顾祝同为副司令长官。蒋介石对冯玉祥信不过，特地交代“以顾副长官之命令为命令。”
8月下旬，中国各部队继续围攻盘踞在海军陆战队司令部、杨树浦等据点的日军，新抵达战场的国军精锐之师第36师迅速投入战斗，在战车掩护下攻入汇山码头，同时空军再次出动配合，轰炸地面及江上日军目标。
国军装备低劣，面对钢筋混凝土工事一筹莫展，仅有的南京装甲团配属第36师的两个连的战车既无火力保护，又缺乏与步兵协同作战经验，被日军舰炮悉数摧毁，两连官兵全部殉国。8月20日晨至22日，宋希濂第36师、王敬久第87师、孙元良第88师和夏楚中第98师的进攻均受阻，伤亡严重。战局陷入僵持，日军龟缩据点负隅顽抗待援。
中日两军在上海正式开火后，国际强权感到他们在上海的利益受到重大影响，提出停战调停要求。中国要争取国际社会支持，蒋介石不得不敷衍国际强权的要求，日本则利用机会喘息，困守待援。
上海之战一开，国军虽然取得先机，但没有达到赶日军下黄浦江的目的。日军参谋本部意识到上海战事正发展为会战，原规划的上海派遣军兵力不足，在9月11日决定组成上海派遣军战斗序列，调动第9、13、101师团，台湾旅团、炮兵第5旅团及大量工兵特种作战部队与海、空军，增援松井石根的上海派遣军。日本上海派遣军兵力是5个师团，两个旅团及陆海空的特种与支持部队，人数超过16万人。
国军先发制人的攻击，没有击溃日军，反而引来大批增援日军，蒋介石重新部署在上海作战的兵力，派张发奎第8集团军防守浦东到杭州湾阵地，张治中第9集团军防守上海市区，陈诚第15集团军负责上海市郊到长江的防线。国军主力源源涌到。松井石根先将主力放在攻占上海西北郊区的宝山到罗店一线，扩大登陆滩头阵地。
日军海军炮舰火力全球第一，对国军阵地进行摧毁性密集射击，国军仅有的轻炮兵没有还手之力，国军死伤无数。守宝山的姚子菁营血战七昼夜，全营战死。陈诚第15集团军主要作战任务是“反登陆作战”，不到半个月就少一半以上兵员。9月10日，国军放弃反登陆的滩头决战，退到河道密布的内陆，防守马路河到蕴藻浜，及潘泾到杨泾地区。
松井石根虽然攻占罗店，但没有足够兵力切断国军上海到南京的交通线，完成对上海国军的包围。国军本以为最多打一周的战斗竟然打了一个月以上。
日军全力投入部队稳住战线；在黄浦江中的日本舰队，不断进行弹幕射击的火力掩护，上海租界被炮声与火光所笼罩。
9月21日，蒋介石将上海作战部队分成左翼作战军（陈诚），中央作战军（朱绍良），中央军几乎全数投入战场。华南、华中甚至西南的各路诸侯部队陆续赶往上海，中国几百年也没有出现过这样的共同抵御外侮的作战情景。
松井石根将主力放在上海西北郊区，以对国军侧翼包围作战，不过日军深入内陆，已经没有海军舰炮火力支援。日军从9月11日到10月20日的40天内，只是从潘泾打到杨泾而已，东西距离仅5千米，多处阵地几度易手，国军据点大多拼到弹尽援绝才不得不退。10月7日，松井石根终于从蕴藻浜攻到上海西郊的交通枢纽大场。日军只要攻陷大场，国军在上海市区以及浦东的部队就得退出阵地，以免被日军包围。
为守住大场，夺回蕴藻浜防线，蒋介石把可以调动的兵力全都耗尽。军政部长何应钦说，上海战事最激烈时，一个师调到火线，只能维持半天，就报销了。蒋介石把中央军校教导总队及税警团都调出应战，以防止蕴藻浜战线崩溃。税警团是总队编制，有6个团，兵力接近一个军。留学美国军校的税警团第4团在争夺战中几度夺回阵地，使得税警团声名大噪；团长孙立人身负重伤，也成为国军将领新星。
10月17日，李宗仁第21集团军作为决战预备队增援，试图反击日军攻势，争回蕴藻浜防线。由于出击过于仓促，配合不够，造成攻势受挫。
日军利用国军攻势受挫时机，在10月25日攻陷重镇大场，直逼苏州河。第18师师长朱耀华因为大场战线被突破，全师阵地失守而拔枪自杀。
大场阵地被日军攻克后，蒋介石下令国军全部后撤过苏州河，重新布防。事实上，撤退时，国军还坚守闸北、江湾到庙行的阵地，两个半月的激战，日军无法越雷池一步。日军把坚守闸北阵地，血战3个月，不曾后退半步的国军第88师称做“可恨之师”。
为营造舆论，蒋介石下令第88师留一个营，据守四行仓库与日军周旋，这就是被人传诵一时的“八百壮士”事迹。成千上万的中国人民日夜守在苏州河边的租界地区，为国军作战呼喊助阵，日军气急败坏，组织敢死队，不计牺牲地猛攻国军阵地，经过三天三夜血战，守军阵地依然飘扬着国旗。最后在租界各国请求之下，这支力战不屈的孤军奉命退到租界之内。
10月26日，日军大本营下令由华北方面军抽调第16师团加入上海派遣军战斗序列，增加决战的预备队兵力。另外以第6师团、18师团、114师团，以及国崎支队等特战与支持部队组成第10军战斗序列，由柳川平助中将率领，前往上海地区参战。日本上海派遣军与第10军总计为9个师团、两个旅团以及大量的海空军支持部队，总数达到27万人。
九国公约会员国将在11月3日于比利时召开会议，主题是讨论中日之战，蒋介石希望国军能够在上海地区继续作战，以利于求诸国际仲裁，因此没有将力已衰竭的国军向京沪线后方的纵深预定阵地调动，反而要求国军继续固守已残破的阵地，而松井石根的部队在大本营的支持与压力之下，拼命设法强渡苏州河，继续攻击国军阵地。于是中日两军又在苏州河南岸，陷入浴血苦战之中。
11月5日，日本第10军突然在杭州湾金山卫登陆，包抄国军防线。蒋介石没有料到日军大本营竟然由华北方面军抽调兵力，由杭州湾登陆，迂回进攻国军防线背后。蒋介石立刻调兵阻挡，但已无兵力可调了。第62师回防阵地已经太迟，第67军刚从河南赶到，没有完成集结，立刻就被日本第10军主力击溃。事实上，国军在杭州湾根本没有可以阻挡日军第10军三个半师团登陆的军力。
日军大本营为统一日军在上海地区的作战指挥，11月7日下令组成华中方面军战斗序列，由松井石根大将出任司令官，统帅上海派遣军以及第10军对上海方面的国军进行最后合围。
11月8日，国军在上海的战线面临全线崩溃，蒋介石下令在上海作战的国军撤退。撤退迟了近3天，国军几乎以溃散方式脱离战场，各自寻求突围，先前退却的部队担心日军追击，大量破坏桥梁与道路，使得后续撤退的国军无路可走，重装备损失殆尽。
11月13日，日军完成对上海地区合围，国民政府发表退出上海的声明。淞沪会战长达3个月，国军寸土必争、浴血抵抗，但缺乏弹性运用，军力透支，几乎将抗日战力储备消耗殆尽。中国总共调集78个师投入战场，后续仍有十几个师没有赶上作战。所幸日军虽然击溃国军，却没有办法歼灭。
淞沪会战使全中国上下凝聚了一个共识，就是为了抵抗日本的侵略，中国“纵使战到一兵一枪，亦绝不终止抗战。”这是中华民族历史上最为悲壮的决定。国民政府发表自上海撤退的声明，可以说是对于这场会战的过程与意义做出的最好的历史见证与结论：“各地战士，闻义赴难，朝命夕至，其在前线以血肉之躯，筑成壕堑，有死无退，阵地化为灰烬，军心仍坚如铁石，陷阵之勇，死事之烈，实足以昭示民族独立之精神，奠定中华复兴之基础。”虽然上海作战失败了，但是中国决心以更广大之规模，进行更持久之战斗。
淞沪会战中，国军兵力总数在60万以上，但实际到达战场的兵力为40万左右。中国空军参战部队为8个大队和1个暂编大队，约200架飞机。海军的参战部队为第1、第2舰队和1个练习舰队，1个鱼雷快艇大队和江阴等要塞部队，约40余艘舰艇。
1937年11月5日，何应钦在国防最高会议报告中宣布，淞沪战场中国军队伤亡达187200人；此外，1937年11月5日至12月2日间，后撤途中伤亡约10万人，合计约29万人。我军阵亡中将军长1人，阵亡师长、副师长4人，阵亡团长28人，阵亡营长44人。由于中方海军司令官的“沉船战术”泄密，中国海军全军覆灭。另有约70架飞机被毁。
据日本防卫厅防卫研究所战史室编《中国事变陆军作战史》，1937年8月13日至11月8日淞沪会战期间，日军约战死20000人，受伤约40000人，合计约60000人。此战国民党军伤亡33万多人，为日军损失的5.5倍。
