淞沪战局不断扩大，英美等国深恐危及上海租界及其在华的商业利益，训令其驻日大使向日本外相芳泽谦吉发出警告，反对日军以公共租界作为作战基地。2月16日，国联12个理事国向日本代表发出通牒，要求日本尊重会员国的领土完整等条款。20日，国联理事会接受中国代表的要求，决定将中日冲突问题提交国联全体大会讨论，预定3月3日开会。日本第9师团在上海失败后，日本参谋本部和陆军省认为，如在淞沪拖延下去，势必招致国外反对，中国国民政府也会调来中央嫡系军队参战，内外局势有恶化的可能。2月23日，日本内阁召开会议，通过了陆相荒木的提议，决定调遣第11、第14两个师团前往上海参战，组成上海派遣军司令部，以白川义则大将为司令官，并决定了五条原则：一、最大限度派遣两个师团；二、尽量避免引起中日(全面)战争；三、战场尽量限于上海附近；四、采取迅速之方法解决上海事件；五、增兵一事不准发布消息。其意图显然是抢先在国联开会和中国各路援军到达上海之前打垮中国守军，以改变当前的被动局面。为了掩盖其增兵行动，日本又一次玩弄缓兵之计：假意接受英舰队司令克莱的调停，派野村吉三郎和首相代表松冈洋右与中国代表第19路军参谋长黄强和顾维钧在英舰“甘特”号上会谈；但对中国代表提出的合理建议，则以“等待东京训令”为借口，要求于3月2日傍晚再答复。
白川义则和第11师团长厚东笃太郎中将于2月29日首先率领第11师团的先遣兵团乘“妙高”号巡洋舰，在第4战队和第2水雷战队护航下到达长江口。白川在听取了原在上海的军参谋长田代皖一郎少将的情况报告后，于当日上午10时下达了总攻上海的作战命令。其兵力部署和进攻方向为：第9师团夺取张家桥、夏马湾线；第11师团在七丫口附近登陆，然后尽快袭击、占领浏河镇，并准备向大场镇、真茹镇进攻；海军第3战队及海军飞机配合陆军作战。
日军大规模的增援活动引起国民政府军事当局的极大恐慌，于是急忙从豫、鄂、赣等省增调徐庭瑶第4师、赵观涛第6师、唐云山独立第33旅，抽调姚永安、李法铭、孔庆桂、纪毓鲁和项致庄等山炮、重炮各旅、团，又抽选受过训练的士兵5000余名，分给第19路军和第5军补充空额。2月26日，调第47师的1个团开赴前线，归蒋光鼐指挥；又以该师2个团守镇江、1个团守京口，归宪兵总司令谷正伦指挥。
3月1日6时30分，日军对淞沪地区发起全线攻击。首先以飞机、大炮向中国守军阵地进行了连续三个半小时的火力准备，然后以坦克、装甲车掩护步兵攻击。守军沉着应战，给以杀伤，但因抽调部分兵力驰援浏河方面，所留兵力薄弱，虽顽强抵抗，战线仍不断被敌军突破。日军第9师团左翼队于午前攻入广东义地、麦家宅、陆家宅一线，到下午2时又进占了谈家宅、岭南桥和杨家楼东侧一线。日军右翼队发起攻击后，受到守军严重杀伤，到下午也先后占领了竹园墩及广东义地两侧地区，并进入周家宅、四车头一线。日军中央队占领了二十三园北部。日军混成第24旅团下午占领了戴家宅，并进入张家桥、朱家桥西端一线。第19路军、第5军在整个战线上顽强奋战，与敌呈胶着状态。日军于下午5时停止进攻，调整部署，准备夜间进攻。
日军在向中国守军正面进攻的同时，以第11师团先遣部队于3月1日晨6时在中国守军的侧背七丫口登陆。中国守军在沿长江七丫口、杨林口、浏河新镇及小川沙一带数十里的警戒线上只有教导总队1个营和少数义勇军守备，兵力不敷分配。在登陆敌人强大炮火和步兵攻击下，守军以少敌多，顽强抵抗，但终因寡不敌众，致使日军登陆成功。日军接着向浏河镇攻击，其右翼队先头部队于下午进抵茜泾营北端。第5军急派第87师第261旅增援浏河。当该旅1个营到达茜泾营南门附近时受到已占领茜泾营日军的射击，双方立即交战，并进行肉搏。到下午6时，该旅另一营始到浏河，但由于兵力薄弱，增援距离又远，浏河危急。
面对危局，第19路军和第5军无兵增援浏河。大批日军占领浏河，守军侧后方受到威胁。不得已，蒋光鼐于3月1日２１时在南翔总部下达了全线撤退的命令，命令部队于3月1日２３时向黄渡、方泰镇、嘉定、太仓之线撤退，待机转移攻势；右翼军主力向黄渡、方泰镇之线撤退，以一部先占领真茹、大场，逐次向江桥镇、南翔、广福南端进入阵地；左翼军派一部在胡家庄、杨家行占领、收容阵地，主力向嘉定、太仓之线撤退，以嘉定城、太仓城为据点，派出一部于罗店及浏河附近对敌警戒。
日军对淞沪及其附近地区的攻占引起了国民党当局极大的震惊和恐慌。3月1日至6日，国民党四届二中全会在洛阳召开。汪精卫在开幕词中宣布：“现在中国已处在军事时期了……要有极大的抵抗决心，运用整个民族的力量来奋斗。”全会发表宣言称：“方今之急，首曰御侮。”在秘密通过的《施政方针案》中规定：全国军队应以国防为主目的，以“剿匪”为副目的，同时当积极改进，务适于国防之用。国民政府在“攘外”的政策上被迫有所改变。
日军发现守军全线撤退后，于3月2日10时下达追击命令。3日，日军一方面发出停战令，一面继续对中国军队追击，以争取谈判桌上的主动权。其部署如下：
(一) 南翔方面，第9师团；
(二) 嘉定方面，第11师团；
(三) 真茹方面，混成第24旅团；
(四) 闸北方面，海军陆战队主力；
(五) 吴淞方面，陆战队之一部；
(六) 第14师团在杨树浦待机。
日军以飞机、大炮对中国守军轰击，以步兵追击。第19路军和第5军因部署指挥得当，能够顺利地实施转移，只有第87师第259旅第517团于3月3日在葛隆镇附近的要塘、米家桥又与日军进行了惨烈的战斗。这次战斗中守军付出了重大牺牲，伤亡近千人。
3月3日，蒋光鼐又电令第19路军撤退至周巷、青阳港西岸至陆家桥之线，第5军撤退到陆家桥、石牌、白茅新市之线布防。至此，日军占领了浏河镇、嘉定、南翔镇、真茹镇，并在该线集结。
3月3日下午，日上海派遣军司令官白川义则、第3舰队司令长官野村吉三郎发出停战命令，宣称：“因19路军退却，保护上海帝国居民目的已达到，决定在现占地区停止战斗。”
3月4日，国联大会决议，要求中、日实行停战。
淞沪抗战中，第19路军和第5路军伤亡、失踪共计15173人，其中军官、军佐883人。日军伤亡3091人(又一资料为3184人)。
六、 《上海停战协定》的签订
1932年3月4日，国际联合会大会决议，要求中日实行停战。中日双方先后表示接受国联决议。但前线枪声不断，双方一直处于对立状态。
此时，中国后援军队陆续到达沪宁杭地区：第47师配合第5军在常熟、太仓附近，常州、无锡一带为第1师，龙潭附近为第4师，浙江之嘉兴、沪杭沿线一带为第2军、第8军。日方也继续向上海派遣援军，其第14师团于3月14日全部从日本运至吴淞登陆。
蒋介石在确定作战方案时，判断日军的军事目的“不外占领南京，控制长江流域”，因此决定“我军应利用敌之弱点，打破敌人进窥南京之企图”。3月11日，又传出日军“欲占领吴越平原一年，导致中国经济破产”的说法，国民政府便匆忙从反共前线调集大批军队到淞沪。可见此时国民政府的最高层对日本的真实意图并未完全弄清。
这时日本虽在军事上占领了淞沪地区，取得了谈判的主动权，但在战略上处于两面作战的境地。在东北，义勇军风起云涌，日本急需增加兵力，其国内财政也十分紧张，难以支持上海战事。但由于日本利用上海事变以转移国际社会注意力、掩护其东北傀儡政权出台的阴谋已经实现，其一手制造的伪满洲国已于3月1日宣告成立，溥仪于9日出任执政。因而日方急于把上海战事与东北战事分开解决。
3月11日，国联再次通过和平解决远东争端决议案，规定日本必须履行国联的历次决议，从中国全部撤军。这对日本分开解决上海、东北两战争的计划带来了威胁。3月13日，日向中方建议，日方对沪停战，中日彼此退让，不受英美干涉。日本的真实意图是：一方面以日军撤离上海为条件，换取国民政府对东北既成事实的承认；一方面试探南京国民政府对英美决议的真实态度。
国民政府虽然拒绝了这一建议，但由于并未真正放弃“攘外必先安内”的政策，只是为了缓解国内压力和争取较好的妥协停战条件，才一面交涉，一面进行抵抗的，所以不希望战局扩大。3月13日，蒋介石对路透社记者发表谈话说：“东北成立伪国，完全日方一手包办，政府痛恨溥仪等甘当傀儡，但如讨伐，则难免扩大战争。考虑结果，暂不颁发讨伐令。”可见国民政府也是主张东北、上海分开解决的。甚至于3月13日一反依赖国联要求日本从中国全部撤军的决议，主张“先将沪事求一结束”。这一点与日方方针正相吻合。这是上海问题能够迅速解决的根本原因。
3月14日，国联调查团到达上海，东北问题遂完全交给调查团“解决”。当日，在英国公使兰浦森的斡旋下，中日双方代表就上海问题开始非正式会谈。会上，中日双方顺水推舟，互相给对方台阶下。日方允将第11师团及第24混成旅遣送回国，并表示：“上海派遣之目的已大体达到，故决定除暂留驻若干部队外，即于日内作自主的撤兵。”
蒋介石得知日答应撤兵的消息后，当日又重弹“攘外必先安内”的老调。从4月上旬开始，蒋令赣、鄂、皖等地军队开始“剿共”。国民党四届二中全会的决议案成为废纸。
中日双方从3月24日开始正式会谈，双方各以自己在沪军事实力为后盾，长时间讨价还价。由于日本借重军事实力迫使国民政府承认东北既成事实的主要目的已基本达到，于是于4月30日急调第14师团开赴东北，第11师团和第24混成旅团调回国内。
5月5日，中日双方代表签订《上海停战协定》。协定全文如下： 第二条：中国军队，在本协定所涉及区域之常态恢复、未经决定办法以前，留驻其现在地位。此项地位，在本协定附件第一号内列明之。
第三条：日本军队撤退至公共租界，即虹口方面之越界筑路，一如中华民国二十一年一月二十八日事变之前。但鉴于须待容纳之日本军队人数，有若干部队，可暂时驻扎于上述区域毗连地方。此项地方，在本协定附件第二号内列明之。
第四条：为证明双方之撤退起见，设立共同委员会，列入与会友邦代表委员会。该委员会并协助布置撤退之日本军队与接管之中国警察间移交事宜，以便日本军队撤退时，中国警察立即接管。该委员会之组织，及其办事程序，在本协定附件第三号内订明之。
第五条：本协定自签字之日起，发生效力。
本协定用中、日、英三国文字缮成，如意义上发生疑义时，应以英文本为准。
中华民国二十一年五月五日订于上海。
外交次长郭泰祺
陆军中将戴戟
陆军中将黄强
陆军中将植田谦吉
特命全权公使重光葵
海军少将岛田繁太郎
陆军少将田代皖一郎
见证人：依据国际联合会大会，中华民国二十一年三月四日决议案协助谈判之友邦代表：
驻华英国公使兰浦森
驻华美国公使詹森
驻华法国公使韦礼德
驻华意国代办使事伯爵齐亚诺
从协定的内容可以看出，这是一个有损于中国主权的协定。以第一条为例：表面上似乎对中日双方都不偏不倚，但这是在中国的土地上实行的停战，而当停战发生疑问时，却要外国人来查明，中国竟无权参与处理。第二条，问题更明显：中国军队只能驻于昆山、苏州一带，而日本军队却可以留在上海市区。尤其应当指出的是：附件中没有公布的部分竟规定中国政府要取缔抗日，第19路军要调离上海，浦东及苏州河以南地区“才能驻扎中国军队”。这种苛刻蛮横的要求，国民政府居然也答应了。只是害怕全国人民的反对，要求日方对这一条款“绝对保密”。由此可见，国民政府“一面抵抗、一面交涉”的方针虽然同过去的完全不抵抗政策有所改进，但实质上则是“攘外必先安内”政策下的消极抵抗、积极求和。
《上海停战协定》签订后，侵略淞沪的日军于7月撤回国内。中国军队亦陆续撤离沪宁杭地区：第19路军移驻南京、镇江、常州一带(后调至福建“剿共”)，税警旅回松江原防，第5军第87师和中央军校教导总队开驻南京，第88师开驻汉口，其余第1、第4师调往安徽，第4军及第47师调往湖北，第8军调往江西，第2军调往徐、宿一带。这些部队均担负“剿匪”任务。此后蒋介石继续专注于“剿共”。
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