尽管国民党政府存在侥幸心理，幻想寻求“外交方法”来解决华北事件，但日本帝国主义灭亡中国的方针决不会改变。它在谈判的幌子下，加紧调集兵力，部署扩大战争。至7月下旬，日本对华增兵达10万左右，进一步完成了扩大侵华战争的军事部署。日军准备就绪，即于7月26日攻占廊坊，并向中国方面提出最后通牒，无理要求中国军队撤离北平。7月28日，日本大举进攻南苑。7月30 日，日军占领北平、天津。天津沦陷后，华北战争继续蔓延，全国人民的抗日怒火进一步熊熊燃烧起来。

　　虹桥事件挑起战端

　　日本帝国主义侵占平津后，又积极策划进攻上海，沿用它的故伎，挑起事端。先是在7月24日，上海日本海军陆战队忽称一名士兵失踪，制造紧张局势，不久，这名士兵被查获送还日本领事馆。日又借机撤退上海日侨，作发动战争的准备。

　　8月9日下午五时半，日本海军陆战队中尉大山勇夫和斋藤要藏两人，驾驶军用汽车冲向虹桥机场，被机场卫兵击毙。事件发生后，上海市长俞鸿钧和国民政府外交部秘书周珏分别向日本驻沪总领事和日本海军通话，当时日方声明，日本海军陆战队官兵本日未有奉命外出。纵令有人外出，也决不会有到虹桥机场。因为日本官兵是绝对不应该到机场的。
　　当夜10时，俞鸿钧市长赴日总领事馆交涉，叙说了事件经过，并主张用外交途径解决，不使事件扩大。日方也表示同意。但是至11日下午四时，日总领事冈本访俞市长，态度即转趋强蛮，声称对于虹桥击毙二日兵事，日本全国极为震动，东京政府虽同意用外交途径解决，但是同时却又认为有向中国“质问”对本案态度的必要。并附带提出两项要求：“(一)将保安队撤退，(二)将保安队已筑之防御工事完全撤除。”
　　俞鸿钧答复：“既然是中国的土地，就更无所谓撤退”。对防御工事和“保安队所有措施，无非为防范起见，总之，我方维持和平之心志，日方应能谅解……如日方亦能遵守范围，冲突自然避免”。日方表示满意。
　　12日下午3时，应日方要求，召开淞沪停战协定共同委员会会议。会议在公共租界工部局会议厅举行，出席者除中日双方外，尚有英、法、美、意四国代表，日方代表冈本声称：今晨中国保安队及正规军队，已在近郊设置防御工事，此种行动，违反停战协定，应请共同委员会加以注意，采有效办法，加以制止。俞鸿钧当即驳斥：“共同委员会设置之目的，在维持上海之和平与治安，并非协助日本政府实施侵略政策”。“虹桥事件发生后，日方曾一再表示静候调查事实真相，以外交方式解决，但一面竟军舰云集，军队大增，军用品亦大量补充，此外尚有大批军舰正在途中，源源而来。此种措施，不独妨碍各国侨民之安全，且对中国为一种威胁，且足发生危害之行为。中国在本国领土内，当然有权采取自卫之行动。……我方秉承中央所定人不犯我，我不犯人之一贯政策，对侨居上海之各国侨民，仍当加以保护。”各代表提议可否将保安队稍稍后退以免冲突。俞鸿钧答：“停战协定早已为日方破坏，故本日实无召集共同委员会之必要。”“我国军队，在本国土地行动，有绝对自由之权，此则未容他人之置议。”“为维持上海之和平治安计，如日本将增加之军舰与军队调回，则我方对撤退保安队一点，亦愿加以考虑。”会议毫无结果而散。
　　日本在会上表示竭力避免战争，而行动上作好了战争准备。日本海军陆战队在12日晚陆续登陆。而且在杨树浦、闸北、虹口一带布防。到12日止，调集淞沪的日舰已达30余艘，海军及陆战队1.5万之众。8月13日上午9时15分起，日海军陆战队在铁甲车的掩护下，由宝山路商务印书馆旧厂址出发，于横浜桥过淞沪铁路，向宝山路我军阵地进发，并向我军阵地开枪射击。我方保安队为自卫起见，用机枪扫射，打退了敌军，日方士兵死5人，伤10余人。下午3时50分，日军开始大规模进攻，并以大炮轰击，我军奋勇抵抗，“八一三”战争爆发。

　　战争经过

　　驻沪日军挑起战端

　　1937年“七七”卢沟桥事变后，日军在华北扩大战争的同时，又积极策划侵占上海。8月9日，日本驻上海海军陆战队中尉大山勇夫和士兵斋藤要藏驱车闯入虹桥军用机场挑衅，被中国士兵击毙。驻沪日军以此为借口要挟中国政府撤退上海保安部队，撤除所有防御工事。日本的无理要求被中国拒绝后，即动员驻上海4000人的海军陆战队及舰艇登陆人员和“日侨义勇团”共万余人紧急备战。

　　11日，京沪警备司令张治中率第87、第88师到上海杨树浦及虹口以北布防，中国空军主力也开始由华北向上海方向集结。13日，日海军陆战队首先由虹口向天通庵车站至横浜路段开枪挑衅，再以一部向宝山路、八字桥、天通庵路进攻，被第88师击退。

　　第9集团军作战和中日空军激战

　　国民政府军事委员会13日下令将张治中部改编为第9集团军，从14日拂晓开始发起反击，同时命令空军协同地面作战。空军当天就轰炸了日本海军陆战队司令部和第3舰队，炸伤旗舰“出云”号。第4驱逐机大队击落袭击杭州笕桥机场的日机3架，击伤1架。15日，日军统帅部下令组建上海派遣军，任命松井石根为司令官，立即从国内增派第3、第11师团到上海。15、16日，中日空军发生激战，中国空军在京沪杭上空共击落日机40余架。17日，中国海军鱼雷快艇在上海外滩再次击伤“出云”号。

　　张治中的第9集团军从15日起，向日军发起多次围攻。第87师攻占日本海军俱乐部，第88师冲入日本坟山阵地。19日，从西安调来的第36师投入战斗，于21日攻入汇山码头，严重威胁日本海军陆战队。22日，日上海派遣军先头部队开始在杨树浦附近登陆。第9集团军侧翼受到威胁，反击作战遂告中止。

　　中日继续增兵上海

　　国民政府军事委员会陆续向上海附近增兵，成立第三战区。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。以第9集团军组成淞沪围攻区围攻驻沪日军，第8集团军(张发奎部)组成杭州湾北岸守备区，第10集团军(刘建绪部)组成浙东守备区，第54军组成长江南岸守备区，第111师组成长江北岸守备区，以上4个守备区负责封锁压制日军登陆部队。23日，日军第3、第11师团在长江南岸的吴淞、张华浜等地强行登陆。第三战区临时将长江南岸守备区扩编为第15集团军,由陈诚兼总司令，又抽调3个军予以加强。

　　日军第3师第一梯队在张华浜附近登陆时,遭到张治中部警察总队顽强抵抗。第3师主力登陆后，警察总队不支，撤至南泗塘河西岸据守。张治中组织第87、第36师增援，挫败日军进攻，双方于25日隔河对峙。日军第11师团第一梯队23日在川沙口和石洞口地段登陆，由于第15集团军部队未到指定位置，日军迅即攻占狮子林炮台、月浦和罗店，然后分别向浏河、宝山进攻。下午陈诚所部先后赶到，第18军协同第54军实施反击,当晚收复罗店，次日收复宝山、狮子林和月浦。25日，双方于狮子林、月浦、新镇、罗店至浏河口一线形成对峙。

　　日军为连接和扩大两个师的登陆场，9月1日从狮子林和吴淞两面夹击宝山。守备宝山的第18军姚子青营击退日军多次进攻，顽强坚守至7日，日军以战车堵击城门，集中海陆空火力轰击，全城燃起烈火，该营官兵全部壮烈牺牲。战至10日，日军将两块登陆场连成一片。第15集团军予敌重大杀伤后，部队严重减员，13日奉命撤出月浦、杨行、新镇等阵地；第9集团军则奉命放弃宁沪铁路(南京-上海)以东的大部地区。至9月17日，中国军队撤至北站、江湾、庙行、罗店、浏河一线,与日军对峙。

　　第三战区的纵深防御作战

　　9月，蒋介石兼任第三战区司令长官，21日再次调整部署：以第9集团军为中央军，朱绍良任总司令，位于北站、江湾、庙行一线及其以西地区；以第8、第10集团军为右翼军，张发奎任总司令，位于苏州河以南至杭州湾北岸地区；以第15、第19集团军为左翼军，陈诚任总司令，位于蕴藻浜以北的万桥、罗店、广福地区。9月中下旬,日军新增调第9、第13、第101师及重藤支队(台湾旅)到上海，加入上海派遣军战斗序列。

　　10月1日,日海军、航空兵协同地面部队发起新的攻击。北路以第11师指向广福、陈家行；南路集中第3、第9、第13、第101师强渡蕴藻浜，向大场、南翔进攻，守军顽强抗击。15日，日军突破蕴藻浜，蒋介石急调第21集团军10个师加入中央军序列,以其3个师从大场附近向南路日军反击，另以左翼军4个团在广福南侧向北路日军反击,均未突破日军阵地。22日,日军集中第3、第13、第101师进攻第21集团军，在庙行和陈家行之间突破守军阵地，26日攻占庙行和大场。苏州河北岸的中央军腹背受敌，于27日放弃北站、江湾阵地，向苏州河南岸转移。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。

　　日军从杭州湾登陆，上海失守

　　日军大本营10月初决定将侵华战争主要进攻方向从华北转向上海方面，急从华北、东北、国内抽调部队，于20日组建第10集团军援沪。11月5日，由集团军司令官柳川平助率第6、第18、第114师团及国崎支队(第5师团第9旅团)，突然在杭州湾的全公亭、金山卫间登陆，策应上海派遣军实施迂回包围。当时杭州湾北岸的守军，大部已调去支援上海市区作战，只有第63师的少数部队守备，猝不及防。日军占领沿海地段后，迅以第6师团进攻松江和闵行，以第18师团进攻金山和广陈。第三战区急调第62、第79师分别阻击日军第6、第18师团，均被击退。日军6日占金山。7日上海派遣军和第10集团军奉命合编为华中方面军，由松井石根统一指挥，企图对上海守军迅速达成合围。战局急转直下，8日蒋介石下令全线撤退。12日上海失守，战役结束。