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杭州湾登陆战一直持续了十天，日军第十军十万人已经损失了七万多人。不过，这个时候日军的十万预备役兵团也到达了杭州湾，进攻日军增加到13万人。同时，台湾日军航空兵也加大了轰炸密度，不顾疲劳地支援日军的进攻。虽然被国防空军击落了七十多架，日空军仍然前赴后继地执行作战计划，战事紧张地进行着。在日军持续的进攻下，边防军第33军的战斗力一点一点地被消耗下去，眼看着坚持不下去了。这是，钟浩决定执行第二步作战计划，把鬼子放进来再打。这样也可避免处处布防，处处露洞的现象。再说，这已经打残了的33军也必须撤到后方修整补充了。于是，钟浩放弃滩头阵地，后撤至对奉贤平湖战绩。最终，8万多日军登上金山卫的土地，并迅速国防军第二道防线展开攻击。不过，这批侵略者最终只不过肥沃了沪南的土地，没几个人能回到故土。
吴淞方面的战场简直成了绞肉机，双方七、八十万人在这片狭小的区域里拚命撕杀。从黄浦江口到浏河口，到处是战场，每一天都有无数的生命消失在这里。可以说，淞沪会战已经成为中日两国毅力的大比拚，好像谁胜了前面都是一片坦途，就可以把对方踩在脚下。为此，日本政府不得不数次增兵，到第二年六月日军投入到淞沪战场的军队已经达到了90万。此时，中方参加上海会战的军人也达到了140万，双方都准备毕其功于一役，彻底摧毁对方的意志。不过，战场上的局势一直呈胶着状态，哪一方都没有明显的优势。小国寡民的日本政府最终决定8月底再次向淞沪战场增兵30万，争取在最短的时间内结束上海战争，本国数十年积累的资源再也承受不起战争的消耗了。
这样，上海地区的日军一下子增加到60多万，而此时坚守上海的国防军只剩下40多万，整个战场的力量对比立马发生了翻天覆地的变化。同时，日军新组建的七支舰队也全部开赴上海战场，双方的交战区域已经漫延到北起浒浦口，南至杭州这片广大的区域。守卫在吴福线的第38军的一个师不得不前提参加太仓区域内的战斗，堪堪抵挡住日军西进的步伐。为此，宇行紧急调动川军第53、54、55军，增援吴福线和杭州湾战场。
随着日军增援部队到达上海战场，中日双方的胶着状态终于被打破。虽然边防军进行了浴血奋战，江湾、闸北相继失陷，刘行、嘉定也落入敌手，日军前锋已经到达蕰藻浜北岸。同时，南线日军也突破平奉线，钟浩所部向松江收缩，第13军残部撤到闵行，第三道防线攻防战开始。
9月9日，日军攻占闸北后，以重兵直趋真太、沪太公路，威逼大场左右翼。刘行方面日军也开始云集蕰藻浜北岸，在飞机、巨炮的掩护下，向南岸防守部队展开猛攻。双方围绕蕰藻浜两岸，展开激烈对抗。国防军是冒着日军的炮火，浴血奋战、寸土不让。不过，这里的守卫部队除了37军大部外，其它防守力量多是从前线退回来的残兵。并且大多数的士兵属于互不统属的部队，大家都是凭着一股热血在杀敌。就这样，中国军人在近十万的日军攻势下，仍然坚守蕰藻浜南岸两个昼夜，并消灭了大量日军。在日军前赴后继的攻击下，防守南岸的国防军伤亡近十万人，最后不得不向江桥、南翔一带撤退。日军攻占大场以西塔河桥时，防守大场的国防军第8军正同沪太、真太路进攻的日军激战正酣。由于日军行进过快，第8军没有来地及撤出阵地，被日军三面包围，成为孤军。日军调集各种火炮、飞机集中猛烈轰击，方圆数里，几为焦土，第8军死伤惨重。虽经多方努力，第8军仍然没有突破敌人的封锁，最终，全军壮烈牺牲。军长王敬久成为中日战争爆发以来，我军牺牲在正面战场上的最高级将领。蒋总统闻之大恸，全国降半旗默哀。
大场丢失，淞沪防线全线撼动，塞克特防线实际上已经被突破。第三战区只得作出放弃北站江湾阵地之举。国防军残余部队陆续撤退到苏州河南岸，左翼21军等部队也奉命转移，至9月14日，国防军退入浏河、沈家桥、朝王庙、徐家行、广福、陈家行、江桥、北新泾至梵王渡一线的第二期既设防御阵地。此时，苏州河北岸地区已经完全被日军控制，当地云集了二十多万日军。9月21日河北日军开始强渡苏州河，国防军在付出近十万人的伤亡后，仍然没有阻止住日军的攻势。9月23日，苏州河防线告破，淞沪地区国防军顿时陷危险境地，再不撤退将成瓮中之鳖，被日军一网打尽。
此时，松江战场也进入白热化状态，钟浩率领8万多将士顽强阻击敌人的进攻。整个第三道防线进入了战争以来最残酷的态势，每时每刻都有无数的志士倒在保卫祖国的阵地上。很多旅、团是成建制地牺牲在战场上，这激起战友们无边的怒火，所有人都是化悲痛为力量，争取消灭更多的鬼子。战至9月18日，参加杭州湾防线的第33、34、35、36军、第13军共35万人，生存下来的不到7万人，其中还有3万多伤员。倒在他们阵地前的日本侵略者也不下40万人，凋零的皇军之花30多位，让日本举国哀痛。19日夜，日军凭借强大火力从东、南、西三面突入松江城，守军几乎死亡殆尽，第35军军长陈铁率残兵据守西门，兀自死战不退，最后壮烈殉国，成为淞沪战场上牺牲的第二位国防军军长。最终，钟浩率领2000多残部突出重围，撤往嘉兴一带。6万多日军衔尾而追，黔军余部经十数次阻击战后，最终只有两万多人撤退到湖州并加入到常富线的防御中去了。至此，参加上海会战的28万黔军与青藏兵组成的四个军捍卫了军人的荣誉，为了国家的安危25万多人牺牲在抵抗民族侵略的战场上，英魂不散！
此时的南京统帅部和淞沪战场各个高级指挥部已经方寸大乱，再不撤退，国防军就要被包了饺子。在9月24日晚最高统帅部下令进行全面撤退，所有部队撤出上海战斗，分两路退向南京、苏州嘉兴以西地区，所有没法行动的伤兵就近躲藏到公共租界。由于命令仓促，指挥失控，大撤退结果演变成全面大溃退，各部队完全没有章法，陷入极度紊乱。为此，统帅部出动仅存的180架飞机对穷追不舍的日军进行拦截轰炸，为混乱的国防军提供充裕的撤退时间。不过，他们很快遭遇追击的日本空军，双方在空中展开激战，在付出了90多架战机的代价后，终于阻止了日军飞机对国防军的轰炸与扫射。当26日这20多万溃兵到达吴福线时，才略微恢复点军队的样子。不过，这些部队都被坚守在吴福线上第53军就地整编，准备参加吴福线防守。日军地面部队穷追不舍，虽遭中方空军的阻截，仍然是势如破竹地攻占上海各镇，并连克太仓、昆山，前锋直指吴福线。