10月15日拂晓，日军在飞机、大炮掩护下继续猛攻蕴藻浜南岸阵地，赵嘉谟团官兵沉着应战，毫不气馁，本着与阵地共存亡之决心固守阵地。经过终日搏斗，打退敌人多次进攻，敌我双方伤亡均惨重，日军毫无进展。
日军攻势受阻，很不甘心，第二天，组织力量转向进攻桥亭宅、顿悟寺。敌复增兵、飞机50余架、坦克车20余架、大炮数十门联合进攻。杨军长一面命134师迎击，一面命夏副军长赴前线督师。杨汉忠师长亲率134师官兵忠勇奋发，在敌机俯冲轰炸与扫射下，虽弹穿左股，亦能不顾一切，裹伤前进，遂至全军感奋。杨汉忠师长是川军在抗日战场上受伤的第一位国军高级将领。
激战未已，顿悟寺左端工事全部被毁，将士全部牺牲，敌即由此点突入，恰好133师旅赶来，杨将军乃转取攻势，指挥全部反扑，杨汉忠师长裹伤再战，激战至午后4时，将敌主力击溃，阵地完全恢复。”
在20军进入蕴藻浜沿岸桥亭宅、顿悟寺、陈家行阵地战斗的6、7天里，陈家行一带火光冲天、杀声震地、血肉横飞，部队伤亡惨重，但是，20军官兵的斗志并未因战友的纷纷倒下而有所动摇，他们誓死战斗到底，用血肉之躯，挡住了日军的钢铁洪流。然而，此时20军面临的现实是：伤亡严重，战力过度消耗，战况更加危急。
10月17日下午，20军在陈家行、顿悟寺及其附近原阵地，依照规定绘图正式交给48军接替后，即在纪王庙、吴淞江西岸附近构筑后方阵地，并整编133师、134师残余部队为一个师，第133师缩编成一个旅，由旅长刘席涵率领，第134师缩编成一个旅，由旅长杨干才率领，这两个旅统一由第133师师长杨汉玉节制，编余官兵（主要是伤员）由134师副师长李朝信率往安庆，训练新兵。
是役，20军据不完全统计，阵亡团长林相侯、营长戈厚培、王肇春、先纠华等及连以下军官280余人，士兵3687人；负伤师长杨汉忠、旅长罗润德、团长李介立、营长刘龙骧、罗光荣、田阡陌、何学植、副营长陈宣等军官共198人，士兵6851人；伤重致残军官27人、士兵407人；失踪军官13人、士兵228人；病亡军官17人、士兵656人；战斗人员伤亡近50%，损失甚至超过了战前的一个整师。
由于20军的英勇抗击，至18日，日军沪上派遣军的五个师团死伤累累、横尸盈野，进攻几乎陷于停顿。号称精锐的第9师团，此时伤亡已达6000余人，接近师团总人数的一半。其他像第101师团的伤亡就更大，已经接近9000余人。
11月8日，第三战区左翼作战集团决定由淞沪战场向吴（县）福（山）线和锡（无锡）澄（江阴）线西撤。11月7日夜，20军奉命经安亭、昆山道，向吴（县）福（山）线转进，归11军团长上官云相指挥（当时11军团是第3战区总预备队），构筑常熟附近用直镇、真义镇、吴家滨、巴城镇、东塘堡、古里村亘梅李（常熟东）之线之阵地工事。
9日，杨上将集中20军残部，命令由最后到达淞沪战场的133师399旅陈亲民团为先头部队，为全军开路，以急行军方式向青浦、昆山方向前进。
11日，20军到达常熟县辛庄附近，适逢日军主力正向苏州、常熟两地进迫，数十架次日机轮番轰炸苏州，20军只得利用空袭间隙继续前进。
12日，日军重藤支队和第16师团在长江南岸白茆口附近登陆，企图从侧后包围国军，遭到江防部队第40师英勇阻击。第40师在新径口，白茆口与登陆之敌展开激战时，适时20军先头部队陈亲民团抵达常熟梅李镇以北地区，也与日军登陆部队遭遇。
13日，由长江西周市、浒浦镇登陆之敌，于突破我江防友军阵地后，忽向20军133师（缺397旅加402团、134师）侧背急袭，赖官兵们沉着应战，未受意外重大损害。
日军在飞机掩护下向20军猛攻，20军顽强抵抗，激战一天，团长唐武城（即第一次整编时133师2旅4团团长）负伤，20军掩护第15集团军主力部队转进吴福线国防工事。
14日，第15集团军与第21集团军联手作战，于15日发起常熟阻击战。20军在完成掩护第15集团军主力转进吴福线的任务后，向常熟方向转移。
17日，第15集团军总司令官指挥第11师和第44师发起反攻，命令20军即向昆城湖和湘城镇转进，切实据守该地。
18日，20军在洋澄湖、常熟之线占领阵地，构筑工事。时昆城湖西岸，有敌小部分登陆。当时，侵入南面的千余日军绕袭昆城湖，20军官兵凭借国防工事与敌激战两天，日军企图均未得逞。
19日晨，苏州亦告失陷，15集团军正逐向西转进，1军在无锡南方沿苏锡公路布防中，20军以掩护15集团军主力南撤安全为主任务，经努力奋战，艰苦持撑，始得遵限于19日晚完成任务后，亦向溧阳西进，准备尔后之作战。
常熟之战，20军以伤亡200余人的代价，完成了掩护第15集团军主力转进吴福线的任务，从而结束“八一三”会战，撤往金陵。
20军在纪王庙首次整编其间，杨志由20军竭诚表功，国府因其功甚大授铨叙军衔陆军步兵中尉、职务军衔陆军步兵上尉。杨志借杨上将亲身招见、表彰之机，详承特战之妙用与实效、未来之重要；预判了近期敌我双方战事之进程，分析了未来十年国内战局及国际战略之演化，杨帅闻之一时惊为天人，遂亲命其组建特殊战斗连队（代号“煞神”突击队），暂归133师部节制。
杨帅授之权限之宽、予之信任之大令全军咋舌：可在全军连级以下任意选兵或对外募兵，全军任何人等不得阻挠；连队建制、军官设定等全由杨志拟定、提议任命；全连武器装备及所需补给开销均由杨志拟定、直呈军部优先供给；全连作战训练等所有事宜均由军、师两级主官节制，其他人员不得干预；战时若遇险情可由杨志临机处断、先行后备，若需兄弟部队配合非有存亡失地之责不得推却。此令一发在全军引大哗然，不少资深军官异议颇多，然杨帅军威之重，无敢阴奉阳违者。杨志得此重任，立感千斤压肩，但念及自身之异能与军座之信托，又觉信心倍增。