平型关大捷，丝毫没有影响到淞沪战场上的形势，9月25日以后，连日来，战事重心仍在江湾、罗店、刘行等地。
日军援兵不断增多，又一批军火抵沪，其主力舰“长门”号、“陆奥”号也先后到沪参与战斗。
9月28日，日军发动第4次总攻。
同日，国联大会一致通过中国问题议决案，谴责日机滥炸中国平民。
9月29日，日本舰队司令长谷川清，派员访英、美、法等国驻沪海军司令，要求各国军舰移泊到黄浦江下游，以便日军进攻南市。
9月30日中国代表在国联大会上，要求确认日本为侵略国。
此时，日军在沪参战兵力增加到20万人以上，日军步、骑兵向刘行东北我军阵地猛冲，突入阵地约3公里。
我军被迫转移到蕰藻浜、陈行、广福、施相公庙一线。
10月1日，日首相近卫、陆相杉山、海相米内和外相广田，在东京举行四相会议，决定《处理中国事变纲要》，扩大华北和华中战局，设想通过10月份的攻势，迫使南京国民政府议和，以结束战争。
10月2日，日军总司令松井石根，限部属3天内占领嘉定、浏河、刘行、大场、闸北、浦东等处。
随后，日军集中兵力向罗店、刘行发动进攻；我军沿沪太公路撤退约1000余米。
2日晚，日军以轻型战车30余辆，协同步兵1600余人，由北四川路方向冲入我方警戒线内，双方发生激战。
10月3日，晨，日军向沪太公路东西两侧进攻，使用毒气及达姆弹，同时，敌舰驶入常、澄交界的段山港，向岸上民房轰击。
10月4日，在平冈龙一等人的斡旋下，日本外务省特派在野的外交家伊藤等10余人抵达上海，诱胁我军停止抵抗，但战斗仍在罗店、刘行附近进行，日军企图渡蕰藻浜。
10月5日，夜，我空军轰炸日军阵地。
10月6日，日军主力分2路进犯：一路由罗店沿沪太公路，经施相公庙向嘉定进攻；在刘行方面之敌，经广福镇向嘉定进攻。一路由顾家宅强渡蕰藻浜，抵南岸进袭庙行；张华浜之敌西进，威胁江湾、闸北之线。
同日，国联大会通过关于中日冲突事件的议决案，谴责日本，声援中国。
10月7日，敌第3、第9两师团，在优势炮火掩护下，由蕰藻浜北岸向国军第87师及第1军正面防御阵地，强行渡河，被我军击退，成拉踞战。
我军冒雨反攻黄浦江沿线，炮战异常激烈。
10月8日，驻沪日军总司令松井石根发表声明：“日军进攻之目的，在于强迫中国政府与抗日军队改变对日态度。”
10月9日国联邀请13国在北平举行“九国公约会议”，寻求解决中日争端办法。
同日，日军犯广福镇、西六房宅，均被我军击退。
10月10日，国民政府外交部照会国联，声明接受“九国公约会议”的邀请。
连日来，闸北的六三花园、八字桥、浦东、蕰藻浜等地均在激战。枪声炮声，根本没有停止过。
10月12日，蕰藻浜我军大捷，日军主力伤亡甚众。
10月15日国民政府军委会发布训令：
“前方自应奋勇应战，如有擅自退却者，当予依法连坐，其余战地文武官佐，亦应各本天良，一致抵御。如有擅退或抗击不力等情事，亦当依法严惩，决不宽贷。”
据国民党上海社会局统计：抗战前全市总计工商业厂号10.9万家，淞沪会战爆发以后，全市仅社教机关的经济损失就达1094万元以上。