第19路军在吴淞地区奋勇抗击日军期间，国民政府正秘密地进行旨在停战的外交活动。2月6日，何应钦致电吴铁城：“吴淞为我长江门户，万一继续进行(抗战)，日人必以全力破坏，或企图占领，彼时门户洞开，战区扩大，以后和、战均难”，“能以外交方式，根据英美调停早日得以解决，实为计之上者。”同日，在国民政府要求下，驻沪英国海军舰队司令克莱出面调停，并提出了中日停战及划定和平区的办法，分交中日双方。中方主张抗战的外交委员会中的郭泰祺、顾维钧等人认为上海问题应与东北问题共同解决，而克莱仅关心上海租界安全问题，反对与东北事件联系，遂形成僵局。日方则因增援的陆军即将到达，断然予以拒绝。调停失败。何应钦于2月9日致电吴铁城：“日陆军源源而来，战事若再持久，我方必失败无疑，请兄力排众议”，“乘我军在优越地位时设法转圆停战，万勿犹豫，致逸良机”。接着，何应钦派陆军步兵学校校长王俊、军政部次长陈仪与先至上海的日军第9师团参谋长田代皖一郎直接商谈停战事宜。蒋介石也于13日指示何应钦：“沪事以十九路军保持十余日来之胜利，能趁此收手，避免再与决战为主。其办法如下：(一)如日本确无侵占闸北之企图，双方立即停战。(二)停战条件须双方各自撤退到相当地点。中国军队退出地方，由中国警察维持。”但是陈铭枢却认为王俊的议和活动“诚属徒然”，不可能使日本停止侵略，因此一方面要求第19路军不“为任何当局所摇夺”，要坚决抗战；一方面致电蒋光鼐说：“调停成功固善”，但“不抗则无外交可谈，一抗之后，其影响所及，必更获极大之价值”。
2月13日下午，日军第9师团长植田谦吉中将率其第1梯团(第6旅团)，在海军第1水雷战队的护卫下到达上海。当晚在舰上与第3舰队司令官野村吉三郎、上海总领事村井全松等举行了联席会议，会后发表以下声明：“本师团长根据师团任务，决定与海军协力，迅速拯救我侨民脱离困境。为此，将尽量避免无益的交战，而以和平手段达到目的。但如有妨害本师团执行任务者，必将采取果断措施，决不踌躇。”这是对中国军队发出的战争威胁。15日，其第9师团第2梯团亦陆续抵沪。
第19路军侦知日军增兵情报后，蒋光鼐当即电告何应钦：“我虽欲求和，而日寇无诚意。为民族生存，图国家体面，只有决心一战，请令飞机排除万难，速来前线参加战斗，并设法在最近期内，另调援军一二师前来。”14日，军政部奉蒋介石命令，正式颁发命令：以京杭两线的第87师、第88师等部队改编为第5军，任张治中为军长，并率军官学校的教导总队、炮兵学校的山炮队，和军政部直属的地雷队、铁道炮队加入第19路军战斗序列，归其指挥。蒋介石这时已感到：“日既在沪不肯撤兵，我方只有抗战到底。故此后军事开展究竟至何如程度，均难逆料。”由此可见，中日交涉再次失败，国民政府别无选择，只有抵抗一途。
2月18日9时，增援到沪的日军部署完毕，植田通过英国公使兰浦森的斡旋，日参谋长田代少将在法租界中日联谊社与第19路军代表范其务参议会见。田代要求第19路军撤退，范当即拒绝。于是植田在当日下午向第19路军和上海市市长发出最后通牒。其主要内容如下：
(一) 中国军队应即从速中止战斗行为，于2月20日午后7时前，将现据之第一线撤退完了，于2月20日午后5时以前从黄浦江西岸，由租界西北端连络曹家渡镇、周家桥及蒲淞镇之线起算，黄浦江东岸由连络烂泥渡及张家桥镇之线起算，各从租界向北20公里地域(包含狮子林炮台)内撤退；
(二) 日军在撤退区保有飞机侦察权；
(三) 日军在中国军队撤退地区派调查员；
(四) 中国军队完全保护上海附近日本人的生命财产；
(五) 中国政府禁止排日运动。
“如以上各项不能实行时，日本军将对贵国军采取自由行动。其结果所生一切责任应由贵国负之。”
19日，蔡廷锴、吴铁城分别复函，严词予以拒绝。中国外交部也发表《对日宣言》，称日本的要求“实危及中国主权及国格，中国方面绝对不能接受……中国在沪驻军为保中国土地计，迫不得已，亦惟有从事自卫奋斗到底而已”。第19路军指挥部更下令前线部队集中炮火向日军阵地猛轰，作为广大官兵对日军最后通牒的答复。
中国兵力的部署如下：
中国军队以保卫国土和自卫为目的，拟占领南市—龙华—北新泾—真茹—闸北—江湾—吴淞—宝山—月浦镇之线，将主力集中于铁道以北地区，迎击由闸北、江湾、吴淞方面来犯之敌，待机出击，压迫敌至黄浦江边而歼灭之。
右翼军指挥官为第19军军长蔡廷锴，指挥第60师、第61师、第78师(缺翁旅之第4、第5两团)、税警总团王赓旅和宪兵第6团及南市一带团警，占领南市—龙华—北新泾—真茹亘闸北、江湾之线，保持主力于真茹、大场镇之间，迎击当面之敌，待机出击，压迫敌于引翔港方面歼灭之。须以一部有力部队死守南市—龙华，作全军右翼之据点。各师任务区分如下：
(一) 税警总团王赓旅担任警戒南市—龙华—虹桥亘北新泾河以南之线。须以有力部队死守南市—龙华，为右翼之据点。
(二) 第78师(缺翁旅之第4、第5团)担任警戒北新泾河以北亘曹家渡沿中山路、真茹镇之车站亘真茹车站北端之线。主力控制于真茹镇方面附近，相机迎击当面之敌，及策应第60师。
(三) 第60师占领北站—闸北亘八字桥、江湾南端之线。主力控制于中央，迎击江湾当面之敌，乘机向虹镇—引翔港方面出击。
(四) 第61师为右翼预备队，集结于大场镇西南一带，以一部死守江湾镇
左翼军指挥官第5军军长张治中指挥第87师、第88师、冯庸义勇军(现在浏河，兵力约１个连)、要塞地区指挥官(正指挥官谭启秀，副指挥官翁照垣)、第78师第156旅(缺第6团)，占领江湾北端亘庙行镇东端—蔡家宅—胡家宅—曹家桥之线。主力控置于大场镇北、杨行镇南及刘家行之间，迎击从江湾北方地区来犯之敌；乘机出击，向殷行镇附近压迫敌人于黄浦江畔而歼灭之。以一部在罗店—浏河—小川沙方面担任江面之警戒，相机策应吴淞。
要塞地区须以有力部队乘机进占张华浜车站；万不得已则死守吴淞、宝山之要塞，以为全军左翼之据点。
左、右翼军以沈家行镇—江湾镇—大场镇之线为战斗分界线，线上属右翼军。
航空队须努力妨碍敌机之活动，掩护本路军之作战，并努力爆击引翔港附近的敌飞机场。
日军鉴于在闸北、吴淞作战失败，决定避开街巷战以及对坚固阵地的攻击，专以炮火压制守军右翼，而以主力突破守军左翼后迂回至守军之侧背。其部署如下：
(一) 以海军特别陆战队和陆战队的8个大队、附属山炮兵1个中队为左翼，向闸北亘八字桥一线的中国军队阵地实施牵制性进攻；
(二) 以第9师团的第6旅团和混成第24旅团为右翼，分两路向江湾及庙行的中国军队阵地进攻；
(三) 以第9师团的第18旅团为预备队，位于公大纱厂及复旦大学附近；
(四) 舰队以第3战队和驱逐舰2艘监视狮子林炮台并威胁浏河，以第1水雷战队和“能登吕”号压制吴淞要塞，主力在黄浦江以炮火重点支援其右翼军作战；
(五) 第1航空战队以舰载机消灭中国飞机及破坏交通，以陆基机直接支援地面部队作战。
第9师团长植田在公大第一纱厂设立司令部指挥作战。
日军于2月20日7时30分向淞沪地区中国守军发起全面进攻。
中国军队当即奋勇迎战。其右翼军的抗战情况如下：
第19路军各师经20余日战斗，已积累了一些作战经验，日军第9师团的第6旅团在坦克和炮兵支援下向守卫江湾镇的第19路军攻击时，该军隐伏战壕内以逸待劳，待敌接近时即以手榴弹还击，敌攻势每被击破。战至１８时，敌终不得进。入夜，敌调整部署，令第7联队的第2大队从江湾北面进攻严家桥，但被守军包围于严家桥东端；第35联队企图增援，但被击退。在第19路军猛烈围攻下，该大队大部被歼，仅少数逃走。该大队大队长空闲升少佐被俘(上海停战后释放，于3月28日自杀)。21日，日军再度进攻，仍不得前进，并在守军火力杀伤下伤亡惨重。日军以一部监视守军阵地，主力暂时停止攻击。
中方左翼军的抗战情况：
日军混成第24旅团于2月20日7时30分在重炮的支援下，向庙行镇方面的守军阵地攻击。守军第88师英勇抵抗，击毙很多日军，并击落敌飞机1架。入夜，日军继续攻击，枪炮声竟夜不绝。
22日晨，第24旅团第一线部队乘大雾突入庙行镇东端第88师第264旅第527团第3营阵地和麦家宅及其南侧坟地一带。守军第88师将全部预备队投入战斗，仍未击退日军，伤亡很大。第264旅正、副旅长均负伤，工兵营营长阵亡。在敌军猛烈攻击下，守军呈全线不支状态。张治中当即率领教导总队(缺1个营)赴第88师指挥策应，并令第87师第259旅向庙行增援，令守蕴藻浜北岸的宋希濂率该旅主力从纪家桥渡河抄袭敌侧背，令第88师对敌突破地区实行反突击。
右翼军蔡廷锴得知庙行局势严重后，当即于上午9时决心在江湾至蕴藻浜全线向敌反冲击，并令第61师第4、第5团从江湾西北端向敌侧击，支援左翼军。第78师以1个团接替第61师杨家楼防务，以另1团控制于夏家宅，策应八字桥和江桥守军作战。第61师在右翼，第87师第261旅在左翼。下午，各部到达出击位置后即全线向敌展开反冲击。日军被三面夹击，仓皇溃退，仅一小部留在金家塘、麦家宅一带顽强抵抗。血战到晚8时半，该部日军被歼灭。
2月25日，日军改变全线进攻的战术，集中第9师团主力和飞机、火炮重点攻击麦家宅、金家塘以东第87师阵地。26日晨，敌再次以飞机轰炸麦家宅和金家塘东面守军阵地，而后从8时起集中炮兵火力对守军阵地继续轰击近两小时，将这一带阵地几乎全部摧毁。9时45分，敌步兵发起攻击，1小时后占领了麦家宅东侧及金家宅东方守军第一线阵地。第19路军第61师和第78师预备队立即增援，并向侵入小场庙地区的敌人实施冲击，终于恢复了原来的阵地。陆军中将植田谦吉指挥的两次进攻均以失败告终。
自中日第一次空战之后，国民政府航空署决定以苏州作为中国空军的前进基地，把主要作战飞机集中在苏州机场并开设了指挥所，以便于支援淞沪战场。日军侦知上述情况后，于20日派飞机到苏州侦察机场情况，22日派加贺小谷大尉和生田大尉分别率侦察机、战斗机袭击苏州机场。美国试飞员兼教练员萧特在驾机随编队向杭州转场时与日机遭遇，当即向日机攻击。加贺小谷所驾飞机被击中三弹。萧特因座机中弹坠落而牺牲。
日机得知中国飞机已转场杭州，为先发制人，编成空袭大队，由小田原统率，于26日7时袭击杭州机场。中国飞机起飞7架迎战。经激战后，日机虽被击落一架，但中国飞行员也牺牲1人，伤3人，杭州机场及所停飞机均被炸毁。
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