庙行大战于2月22日凌晨3时开始。植田的九师团二万余人由候家木桥及野猫墩分两路进攻。共计动用了火炮100门，坦克50辆，山炮20门，小钢炮60门。
日军进攻重点是竹园墩麦家宅一带，于是炮火和飞机炸弹及步兵进攻均集中在此，五二七团伤亡很大。战至7时，麦家宅的五二七团三营几乎全部阵亡，同时二营因受冲入麦家巷日军的倒击，伤亡过半。战场情况对我军十分不利。
10时，师长俞济时，副师长李延年亲自到前线督战。日军又增派1000人，在飞机大炮的掩护下，在庙行北至周巷一带猛攻，企图突破我军防线，包围庙行镇。针对八十八师大量减员的情况，张治中命八十七师二五九旅由南进入庙行镇战斗；同时亲率中央军校教导队策应八十八师；第六十一师张炎旅两个团，也由竹园墩进入战斗。敌我相持不下，战斗分外激烈。
午后1时，张治中命驻守蕴藻浜的第八十七师宋希濂旅抽一团增援庙行。
宋希濂接到军长的命令以后，异常兴奋，自去年“九·一八”事变起，率部上战场打日本鬼子就是他梦寐以求的事情。他立即召集五二一团、五二二团主官，命其各团留一个营守备原有阵地，亲率主力渡河，五二一团取齐家宅，而后向北孙宅、西港方向进攻；五二二团取陆家桥，然后向南孙宅、顾家桥一带攻击，两个团一路攻无不克。杀敌数百，缴获大量武器装备，摧毁一个又一个敌军阵地。
下午5时，宋希濂旅已开始向植田司令部发起猛攻了。宋希濂旅的出现，完全出于植田的意外，他根本就没想到第五军会突然强渡蕴藻浜攻击他的侧背后。宋希濂旅迅速而猛烈的攻势动摇了进攻庙行的日军，日军不得不抽出两个大队的人马上来阻击宋旅的进攻。战斗异常激烈，直至黄昏，上海义勇军独立团及大刀队投入战斗。张英振的人马从背后杀入日军阵地，挥舞长矛大刀，与日兵展开了肉搏战。宋希濂旅的局势由与日军相持不下转到主动出击进攻。
晚10时，进攻庙行镇以南的日军，腹背受敌，正面遭受第五军八十八师及八十七师的坚决抵抗；左侧受十九路军六十师张炎旅的出击；右侧受第五军宋希濂旅的攻击植田不得不下达撤退命令。
1小时后，第五军和十九路军已将败阵下来的二千余名日军包围在庙行的许金穆宅候家木桥。植田为营救被围日军，派出50余辆装甲车，一万多日军向我军冲来，八十八师立即派出5000人上前迎战。战至凌晨4时，被围日军不但未被解围，相反援军中又伤亡多人。随后被围日军全部被歼。
天亮，日军已死伤六千余人，植田不得已就此收兵。
庙行会战的失利，大挫日本王牌部队第九师团的锐气。植田因害怕十九路军和第五军乘胜追击，一鼓作气将第九师团全歼，便力避与十九路军和第五军决战。同时请求东京继续向上海增兵。
日本政府认为植田无能，因而不敢再战。便必派菱刈隆大将任上海先遣军总司令，以取代植田中将的指挥权。
菱刈隆大将是日军中颇有战绩的将领之一。但自从被任命为淞沪指挥官以后，他的心脏运动就不再正常了。因为在他出任以前，就已有三个指挥官被撤职。加之菱刈隆大将来到上海以后，耳闻目睹中国军队作战异常勇猛，尤其是听说十九路军和五军的敢死队员竟身缠炸药包，往他的队伍里冲，使他的精神受到了极大刺激，不几日便中风身亡。于是，日本政府又改派白川大将为上海日本陆海空三军司令长官，日军四易主帅，并在沪增加4万日军。这样日本在上海的兵力已超过10万，而十九路军及第五军加起来，也不过三四万，敌我兵力悬殊，且不谈武器装备的优劣……
