“卢沟桥事变”后，日本首相近卫文麿曾试图使事态不扩大，并在军部作战部长石原莞尔的鼓动下打算亲自飞到南京和蒋介石商谈，但是由于日本军方强硬派的反对，近卫南京之行的计划不了了之。后来，近卫文麿又派亲中的国会议员宫崎龙介乘船前往南京与蒋介石会谈，但宫崎龙介在上船时被日本宪兵逮捕，强行送还东京。在这样的形势下，近卫文麿向军方妥协，采取了对中国的强硬姿态。

中国方面，蒋介石也深知单靠中国自己的力量是不可能打败日本的，必须借助第三国的军事力量与日本抗衡，并采取适当的战略与敌周旋。具体的说就是：设法使英、美、法等西方列强对日本的侵华进行干涉，同时充分利用中国空间土地广阔的优势，“以空间换时间”，求得持久的胜利，不重一城一池之得失，以“积小胜为大胜”成全大局。根据当时的战局，日军是打算自华北一路向南攻击，进而席卷全中国的，南京方面认为这种态势十分危险，因为日军的实力远超过国军，自北向南的行进很可能会将国军挤压到东南沿海一带聚歼，那时国军将毫无退路。因此，蒋介石在7月下旬决定，开辟第二战场，将日军“由北向南”的战略进攻方向，改变为“由东向西”，这样国军可以背靠自己的大后方，拥有广阔的战略缓冲，进而达到持久作战、以待时机的目的。于是，蒋介石在1937年8月主动进攻驻上海的日本海军陆战队，发起了“淞沪会战”。

“淞沪会战”爆发于1937年8月13日，因此也称“八一三事件”，是抗日战争时期中日军队之间的首次主力会战。在这次会战中，中日双方共投入近百万的兵力，国军集结兵力达70个师，日军也有10多个师团，并有重炮和战车相助；从“八一三”到上海失陷，中日双方激战三个月，都有很大的损失，中国军队通过此战达到了迫使日军将主力自华北转移至上海的目的。

之所以将会战地点选在上海，主要是基于以下几个方面的考虑。首先，从政治上说，上海不仅是当时中国最大的城市，也是一个国际大都市，乃“中外观瞻所系”，“国际观感”十分重要，因此在上海进行的战斗必然会引发西方列强的干预，南京最高统帅部是以决定“不惜任何牺牲，予以强韧作战”。 其次，从经济上说，上海是中国的经济重心，国民政府必须要保护在上海的经济和财政利益，同时上海和江浙一带的工厂、物资也需要在对日作战的掩护下，向内地迁移。最后，从军事战略上说，中国军队在长江流域作战，比在黄河流域更为有利。因为中国缺乏机械化部队，不宜在华北平原对日作战，而长江中下游地区则湖沼山地密布，利于掩护。

根据中日在1932年5月5日签订的《淞沪停战协定》，中国军队不能在上海市区和周边驻防，因此当时上海仅有淞沪警备司令杨虎所辖的上海市警察总队及江苏保安部队两个团担任守备，兵力十分薄弱。相反，日本在“一·二八”之后却在上海虹口和杨树浦一带派驻了重兵，并专设日本驻沪海军陆战队司令部，兵力3000余人，同时还有大批日本舰艇常年在长江、黄浦江沿岸巡弋。1937年7月24日，上海日本海军陆战队忽称一名叫宫崎的水兵失踪，要求封闭虹口机场，不久，这名士兵被找到并送还日本领事馆。日本借机于7月底训令长江沿岸的日本侨民撤离。8月初，日本第三舰队在黄浦江进行了兵力部署，国府也从全国各地调部队向上海集结，但是由于当时交通工具缺乏，大多数国军都是靠两条腿行军，因此许多部队在赶到战场时，仗已经打完了。

1937年8月9日下午五点半，日本海军陆战队中尉大山勇夫和水兵斋藤要藏两人，驾驶军用汽车至虹桥机场附近滋事，中国保安队阻其前进，双方因此发生冲突，结果大山勇夫和斋藤要藏被击毙，造成所谓“虹桥机场事件”。事发后，日方否认日本海军陆战队官兵当日有人奉命外出，并称即使有人外出，也绝不会到虹桥机场，因为日本官兵是绝对不应该到机场的。8月9日夜，中日双方经协商决定，通过外交途径解决问题，避免事态扩大。8月11日，日方态度骤变，声称对于“虹桥机场事件”，日本全国极为震动，东京政府虽同意用外交途径解决，但也认为有向中国“质问”对本案态度的必要，并附带提出两项要求：一、将保安部队撤退；二、将保安部队已筑之防御工事完全撤除。”，中国方面对此表示拒绝。随即，日本开始动员驻沪海军陆战队和舰艇登陆人员紧急备战。

8月11日，京沪警备司令张治中进驻南翎，国军开始在上海杨树浦及虹口以北布防。8月12日，南京政府召开最高国防会议和国共联席会议，设立国防最高委员会，以蒋介石为陆海空军大元帅，领导全国抗战，确定了持久消耗战的作战方针，并将全国划分为新的战区，重新调整部署全国军队。同日下午，淞沪停战协定共同委员会在上海公共租界开会，中日代表唇枪舌战，会议毫无结果，不欢而散。当晚，日本海军陆战队开始陆续登陆，在杨树浦、闸北和虹口一带布防。至此，日军已在上海集结了一万五千人。

1937年8月13日上午9时15分，中日两国军队在上海开战，“八一三”淞沪会战拉开帷幕。当天，国军与日军在宝山路、八字桥和天通庵一带展开战斗，击退日军。同日，南京政府下令将张治中部改编为第九集团军，张治中出任总司令。8月14日，在第九集团军进行围攻准备的同时，中国空军轰炸了日本海军陆战队司令部和第三舰队。这一天，南京政府还发表了《自卫抗战声明书》，宣布要进行全国抗战。8月15日清晨，第九集团军向据守上海市区的日军发起进攻，日军统帅部也于当日下令组建上海派遣军，以松井石根为司令官，从国内调两个师团增援上海。由于日军的海空军实力远超过国军，因此国军在15日的进攻没能达到预期目标，反而损失惨重。8月15、16日，中日空军发生激战，日军数十架飞机被击落；17日，中国海军在上海外滩击伤日本战舰。

8月20日，鉴于战争的扩大，南京政府设立了抗战最高统帅机构——大本营，蒋介石任大元帅，程潜、白崇禧任正副参谋总长（10月大本营改称军事委员会，蒋介石仍以委员长名义负责指挥）。随后，大本营颁布了《国军战争指导方案》和《国军作战指导计划》，拟定了攻守计划，并将全国划分为五个战区，淞沪战场属第三战区，由冯玉祥任司令长官，顾祝同任副司令长官，陈诚任前敌总指挥。在整体上，中国军队以一部集中华北，重叠配备设防，阻击华北日军沿津浦铁路南下，同时以最小限度兵力守备华南沿海各要地。最后，南京计划以国军主力迅速扫荡淞沪日海军根据地，阻止敌军登陆，并确保山东、山西，力求争取时间以牵制消耗敌人。

8月20日清晨，国军再次发起进攻，经过一昼夜激战，于21日攻入汇山码头。8月22日，日本上海派遣军先头部队开始在杨树浦附近登陆，第九集团军侧翼受到威胁，进攻因此中止。8月23日清晨，日军两个师团在吴淞、宝山、川沙口等地强行登陆，国军也抽调部队予以迎击。此后，由于日军重炮和战车部队相继抵达，并有海空军配合，国军因此陷于苦战，战事呈现胶着。9月1日，日军为连接和扩大两个师团的登陆场，从狮子林和吴淞两面夹击宝山，国军死守到7日，全部阵亡。9月10日，国军调整部署，改为守势，从11日到14日，张治中集团军与陈诚集团军退守浏河镇－罗店－蕴藻滨－江湾－洋泾一线。9月14日，日军对国军防线发起全面进攻，且集中火力于罗店附近，17日国军被迫后撤。9月21日，日军再次攻击，以重兵进攻国军左翼部队，迫使国军退守蕴藻滨之线，此后日军乘胜追击，向蕴藻滨进行突破作战。

9月间，蒋介石宣布兼任第三战区司令长官，并于21日再次调整部署。9月下旬，日军的第二次增兵完成，又有三个师团、一个旅团和空军一个团开赴上海加入战斗，日军总兵力达到12万人，战车200辆、飞机200余架、火炮300余门，其大规模会战的条件日益成熟。从10月1日开始，日军海陆空相配合，对国军防线发起了多次大规模的进攻；10月27日，国军被迫向苏州河南岸转移，至11月5日与日军对峙于浏河镇－罗店西方－苏州河左岸至南站之线。国军撤退时，第88师第524团副团长谢晋元，率第1营官兵继续坚守苏州河北岸的四行仓库，孤军奋战四昼夜，打退日军多次进攻，被称为“八百壮士”，后于31日奉命退入公共租界。期间，10月28日深夜，女中学生、童子军杨慧敏，把一面4米长的国旗缠在腰间，冒生命危险冲过日军火力封锁，将国旗献于“八百壮士”，次日凌晨，守军在四行仓库楼顶升起国旗。后来，杨慧敏送旗的壮举，经路透社传遍全世界，表现了中国人万众一心、同仇敌忾的抗战精神。

随着战斗的进行，中日双方都在不断增兵。至10月上旬，日军总兵力已增加到20多万人，并在10月中旬决定从华北、东北和国内抽调部队自杭州湾北岸登陆，打击国军侧后。11月5日，日军在杭州湾金山卫附近正面登陆，击溃中国守军，继续以主力向松江进攻。11月7日，各路日军进行合编，由松井石根统一指挥，意图迅速合围上海守军，战局急转直下。鉴于诱使日军主力自华北转至华东的战略目的已经达到，蒋介石于11月8日下令国军全线撤退。11月10日夜，国军开始沿京沪线两侧地区撤退，向吴福线转进，期间日军曾多次发动攻击，试图切断国军主力的退路，但均告失败。11月12日，上海失守，“淞沪会战”至此结束。