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”（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。
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。