国民政府对日本侵略东北的不抵抗政策遭到举国上下的一致反对，宁、粤合流后改组的国民政府被迫调整对日政策。当时的主要决策者们无意从根本上改变“攘外必先安内”的方针，但又不能不缓和国内各阶层人民抗日救亡运动的压力，于是提出了“一面抵抗，一面交涉”的对日方针。汪精卫主张：对日本的侵略，“军事上要抵抗，外交上要交涉……一面抵抗，一面交涉，同时并行”。日军在上海发动的侵略和第19路军自发的抗战，促使国民政府不得不进行有限的抵抗。
1932年1月29日，国民政府外交部发表《对淞沪事变宣言》：“中国当局处此情形，为执行中国主权上应有之权利，不得不采取自己的手段，并对于日本武装军队之攻击，当继续严予抵抗。”同日，日本政府也发表了《关于上海事件帝国政府声明》。日本颠倒是非，声称是为保护日侨而增兵上海。此时，蒋介石已于28日返回南京主持军事。国民政府判断日军将在上海地区扩大战争，遂于30日照会国联及9国公约签字国驻华公使，表示中国对日本的野蛮侵略“忍无可忍，不得不采取相当手段，以实行正当防卫权”，并要求“速采有效之手段，严正制止日本在中国领土内之一切军事行动”。同时在南京召开中央政治会议紧急会议，决定迁都洛阳和改组军事委员会，任命蒋介石、冯玉祥、张学良等为军事委员会委员，并于当天令第19路军全力防守上海，令第87、第88师防守南京。
但是，国民政府在部署防务的同时还在积极活动，希望在沪有重大利益的英、美等国出面调停，以结束冲突。31日，英、美两国驻沪领事邀请中日双方代表吴铁城、区寿年(第78师师长)、村井、盐泽在英国领事馆直接交涉。英方提议：日军退入租界，中国军队由现地后退2000米，由中立国军队在缓冲区代为警备。何应钦在会议时致电吴铁城：“我国目前一切均无准备，战事延长扩大，均非所利，各国领事既出面调停，请兄等酌量情形，斟酌接受。”蒋介石也认为：“只要不丧国权，不失守土，日寇不提难以忍受之条件，我方即可乘英美干涉之机，与之交涉；不可以各国交涉，我反出于强硬，致生不利影响也。”因而，中方代表当即接收英方的建议。但日方代表则表示向政府请示后再做答复。这显然是推托之词、缓兵之计。2月1日，蒋介石在徐州主持召开了军事委员会会议，商讨对日作战问题。最后议决在全国划设4个防卫区：以张学良、蒋介石、何应钦、陈济棠分任第一(黄河以北)、第二(黄河以南、长江以北)、第三(江南及浙、闽)、第四(两广)防卫区司令长官，并电令川、湘、黔、豫、赣、鄂、陕各省出兵作总预备队。同时将京沪地区的军队作了部署调整：第61师将镇江的防务交予第87师，部队开上海大场镇附近；第88师主力集结苏州，为第19路军预备队，以1个团加强江阴要塞的防守力量。另外电令驻开封的炮兵第1旅拨野炮8门、重炮4门开驻蚌埠、滁县一带待命。
日本得知上海日军进攻闸北失败的情况后，陆军大臣荒木贞夫、参谋总长闲院宫载仁亲王、海军军令部长伏见宫博恭王及有关各大臣举行了内阁会议。2月2日，经裕仁天皇批准，决定向上海增派部队，扩大侵略。当日，日本海军将准备增援及已在上海的部队组成第3舰队，由野村吉三郎中将任司令官，并调植松炼磨少将为在上海的海军特别陆战队指挥官；陆军令第9师团紧急动员，做好去上海作战的准备，并将第12师团的步兵第24旅团配属以骑兵、炮兵、工兵等特种部队，组成混成旅团为先遣部队。由于陆军和海军在指挥权上产生矛盾，直至2月6日，混成第24旅团才在佐世保集结乘船，跟随野村吉三郎所乘“出云”舰向上海进发。
日本海军于1月末来援的“加贺”、“凤翔”两艘航空母舰、第2驱逐队的4艘驱逐舰，以及特别陆战第4、第5、第6、第7四个大队先后于2月初到达上海。此时野村尚未到沪，上海日军仍由盐泽指挥。为了掩护及接应日本海军舰队进入黄浦江岸登陆，盐泽决心攻占吴淞要塞。
2月4日，日陆战队在舰炮掩护和20架飞机的支援下向吴淞要塞进攻。猛烈、密集的炮火炸毁了守军的全部宿舍及6门要塞炮。要塞司令邓振铨弃职逃走，但部队仍坚守阵地顽强抵抗。5日，军政部命第78师副师长谭启秀任要塞司令，继续指挥守军作战。激战至5日16时，日军在遭受严重杀伤后退回原阵地。
2月7日，野村乘“出云”舰到达上海，混成第24旅团亦到达吴淞口。上海陆战队为接应第24旅团登陆，9时起向吴淞铁路码头以西的杨家宅、曹家桥一带的第19路军阵地进攻，但均被击退。14时，第24旅团在舰炮火力支援下实施强行登陆。到18时，其先头第46联队之第1大队占领了滩头阵地，主力陆续登陆，集结于徐家宅附近。这时日军的指挥系统是：海军第3舰队司令官野村吉三郎中将指挥上海地区的海军及陆军第24旅团，而植松炼磨少将指挥的海军特别陆战队则归陆军第24旅团长下元熊弥少将指挥。各部队的分布位置为：第24旅团位于蕴藻浜右岸地区，其司令部在军工路水厂附近；海军特别陆战队位于江湾至八字桥以东的淞沪铁路线上，其指挥部设在虹口公园附近；海军陆战队在闸北地区；临时飞机场在公大纱厂附近；第1航空战队之航空母舰泊于白龙港口外，其余各舰队分布于长江及黄浦江口。第3舰队司令部设于“出云”号旗舰上，野村则住在礼查饭店。
根据敌情变化，第19路军也重新作了部署：
(一) 第60师担负北站、闸北亘江湾之线，以一部守北站、闸北，主力集结于大场镇东南一带地区，相机迎击由黄浦江进犯之敌，并与第78师翁旅(第156旅)切取联系。
(二) 第78师翁旅(欠第6团)死守吴淞，并在北新泾、真茹之线，对中山路—曹家渡方面警戒。
(三) 第61师以１个团控制于罗店，派出一部至浏河—小川沙沿岸一带警戒江面。主力则应于8日拂晓前集结于刘家行至大场一带地区。如浏河、小川沙方面无敌踪发现时，应相机策应第60师。
(四) 第88师及第87师宋(希濂)旅为预备队，位于南翔、江桥镇间。
(五) 宪兵第6团担任南市—高昌庙—龙华一带警戒；税警总团王赓旅古团担任虹桥、北新泾之线警戒(8日拂晓前接防完毕)，归区(寿年)师长指挥。
8日拂晓，日军向守军阵地发起全面进攻：第24旅团以主力进攻吴淞镇，以一部兵力偷渡纪家桥，迂回至吴淞守军后路；海军特别陆战队向江湾、八字桥进攻，企图截断吴淞与闸北间的联系；海军陆战队向闸北守军阵地进攻。在第19路军的英勇抗击下，各路日军均被击退。9日，第19路军第60师一部兵力从江湾方向秘密迂回至闸北日海军陆战队阵地右翼，发起突然袭击，日军当即陷入混乱。野村急令特别陆战队乘汽车增援，方免被歼。
日军第9师团于2月9日、10日从吴港出海，预计13日可抵上海。下元熊弥为接应该师团在黄浦江登陆，令第14联队的第2大队附属工兵中队于13日经纪家桥强渡蕴藻浜，占领沈家宅附近地区。13日拂晓，该大队在烟幕掩护下，通过工兵所架浮桥突至蕴藻浜北岸。第19路军第61师之第121旅乘日军立足未稳发起反击，将其包围。下元急令第24联队之第1大队前往增援，以接应其退回南岸。第19路军猛烈攻击，激战一昼夜，至14日晨，日军方得以脱围退至淞沪铁路附近。在第24旅团向蕴藻浜进攻的同时，日海军陆战队亦向闸北及八字桥西的第19路军阵地实施牵制性进攻，但均被守军击退。
日海军第1航空战队于2月初到达上海后即投入战斗，除直接支援地面部队作战外，还对闸北、真茹、南翔等地进行轰炸。2月5日，日机轰炸真茹时被守军高射炮击落1架。当日9时，中国航空第6队队长黄毓沛率第6、第7队9架飞机从南京转场上海时，在昆山县上空与由平林长元大尉率领的、从“凤翔”号起飞的3架攻击机和由所茂八郎大尉率领的3架战斗机遭遇。双方进行了短暂的空战，平林的座机被击伤。当日中午，在上海附近上空还曾发生两次空战。这是中日两国历史上第一次空战。由于双方飞行人员均缺乏实战经验，协同较差，基本上形成单机混战。中国飞行员虽很勇敢，但飞机陈旧，飞行员又缺乏系统的训练，所以在空战中常处于被动，损失飞机1架，伤1架。当时报道击落日机2架，但一直未能发现日机残骸，未能确证。
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