攻陷宝山的日军第3师团一部分向着宝山西面的杨行进攻，另一部登陆的日军朝杨行南的江湾镇进发，他们实施中央突破的战术，企图割断中央军与左翼军的联系，达到各个击破的目的。
由于敌人在沿江各点登陆成功，第三战区司令长官部下令停止总攻击，根据新的作战形势，于9月6日颁发了第二期作战要旨：
一、战区以保持经济重心巩固首都而行持久抗战之目的，就现包围敌人之态势，运转优势兵力，截断各登陆敌之联系，限制其发展，并围攻狮子林及小川沙方面已登陆之敌，以打破其包围我军之企图，而收各个击破之效果。
二、如不能达到各个击破敌人之目的时，则依状况逐次后退至敌舰炮射程外，以决战之目的占领阵地，乘敌陆军火力不能协调之际，发扬我精神与物质之威力，一举将其击破之。
中日双方都企图包围对方，各个击破，犹如执黑执白的围棋手，包围与反包围，击破与反击破，在黄浦江以北的水网平原上，揭开了斗智斗实力的又一轮战局。
松井石根指挥的两个师团和海军陆战队经过与中国军队的激烈拼杀后损兵折将，要想击破中国守军的防线，实行迂回包围策略深感兵力不足。他只得向陆军大臣和参谋总长求援：“根据上海的敌情及地形，要给南京军以大的打击，最小限度也需要5个师团。”
参谋本部派出第三科部员西村敏雄少佐专程到上海视察，他听了汇报，看了战场，向军部报告说：一、敌人的抵抗实在顽强，无论是炮击还是被包围，绝不后退；二、估计敌人第一线兵力约19万，第二线停战区内有27～28万；三、中国居民对敌人有极其强烈的愤慨；四、由于调军舰运送紧急动员的部队，派遣军后方接济不上，两个师团陷于严重的苦战中。
西村报告的情况大致属实，可是日本军部对向上海增兵仍然意见不一。
支持松井石根的陆相杉山元接受了增兵的要求，可是作战部长石原莞尔不同意增兵，他当即向参谋总长提出辞职。
作为参谋总长的载仁亲王只好晋谒天皇：“增派第9、第13、第101师团及台湾守备队到上海，并派后备步兵10个大队到上海。”
天皇批准了这个增兵计划。日军参谋本部当即以“临参命第99号”派吉住良辅第9师团、荻洲立兵第13师团、伊东政喜第101师团及野战重炮兵第5旅团、独立野战重炮兵第15联队、独立工兵第12联队及第3飞行团开赴上海，编入上海派遣军的战斗序列。
在这3个师团中，第13师团和101师团全部是由新兵组成的新师团，部队中的军官仅大队长以上是现役军官，其他是再次入伍的征召军官。为了加强空军力量，统帅部派驻守台湾的值贺忠治少将的拥有94式侦察机、95式战斗机、93式轻轰炸机和93式重轰炸机共37架的第3飞行团配合上海派遣军。根据上海地区的河川密布，地下水位高，野战工事不太深的情况，日军确定用50公斤类型的炸弹就能达到预想的深度和密度。日本参谋本部及时总结了第一阶段进攻上海的失利原因认为：由于不熟悉上海的兵要地志，仅从观念上认为水网地带不适宜野炮，结果进攻中炮火不足。据作战部队报告，从现有的道路来看，可以使用重炮。于是，在增援部队中增派了一个野战重炮旅团。
包围战需要一定的兵力，可是，兵力不仅仅是战斗人数的多少。在日军加强飞机、炮兵和相配套的骑兵、山炮、工兵、辎重和通讯、卫生人员的同时，中国军队的空军已经没有几架可以起飞的飞机了，有限的炮不是口径太小，就是用不上。胡宗南的第1军不少部队使用的还是20年代的汉阳造和杂牌枪支。19师每连只配6挺轻机枪，重机枪大部分也是老三十节的汉阳造，19师不但没有钢盔，连雨衣也没有。下雨天，官长打雨伞，士兵戴斗笠。一马平川的战地全靠工事隐蔽，日本军修工事用坦克履带来回压，压出一道战壕，还有凿坑机，既快又结实。而中国军队只靠铁锹。还有通讯联络，日军为指示炮轰目标，常用系留气球，可中国军队连夜间站岗喊口令都解决不了，他们奇怪：50米100米以外的日军阵地为什么夜间接岗听不到口令？这个谜后来才解开。在打扫战场时，有个中国士兵在日军尸体的口袋里摸出了一个小玩意儿，他不知这是什么东西，几个中国兵都觉得稀奇新鲜，有一个胆子大一点的，放在嘴边吹了一口气，这小玩意儿居然发出了响声。他放进嘴里一吹，像清丽悦耳的鸟鸣。这下子大家才恍然大悟，原来这个铁皮做的小玩意儿是交接岗用的口哨，怪不得他们常在夜间听到敌人阵地上的鸟叫，日军站岗不喊口令。
日本人按照自己的方法作战，可中国军队靠外国人指挥作战。身为大元帅的蒋介石，不知是自愧战略浅薄战术不懂，还是忙于政务，他聘请德国顾问在中国的军队中服务。德国军事顾问的意见是举足轻重的。在上海外围平原上实行阵地防御，以迟滞歼灭日军的作战方法，就是德国军事顾问团团长阿列克山德·冯·福肯豪森提出来的。他认为在江河交错的水乡，日军的重装备运动极其不便，而中国军队以轻装备为主的步兵则适应这个地区，应增强防守密度。德国人规定每个师的防守正面约1300米。
可是德国人光是从地理书上知道长江入海口是水网地带，他可能不知道水网地带上修筑了四通八达的公路，他难道不知道重火器的射程足以威胁这一片水网地带上沿江及江岸附近的不少重要据点？
上海战场的西边有一道当时中国最具规模和耗资巨大的国防战线，它从杭州湾北岸的嘉兴开始，经苏州、常熟到长江南岸的福山，又称“吴福线”。被日本人称为“兴登堡防线”的这道国防工事也是在德国人的建议和策划下兴建的，可最终没有起到任何作用。自然，按照德国顾问的建军目标，用德式装备和德国式的训练方法训练的一些“精锐部队”，虽然素质相对要高一些，可是照搬照套的全盘西化，也不符合中国的国情。比如德国顾问强调，步枪绝对不能打飞机，于是日本飞机超低空在头上扔炸弹，中国兵只能缩着脑袋等待挨炸。
中国军队像一个拼凑组装的畸形人，靠外国人的脑袋指挥，用自己的腿走路。
这是没有办法的事情。曾在中国战地采访的美国《时代》杂志记者西奥多·怀特对安娜·雅各布说：“蒋介石以为自己是第一流的军事领袖。虽然他指挥着全国作战，却称不上是一个战略家。……无论是进攻还是防守，蒋介石都没有一个切实可行的全盘计划。魏特迈对此感到非常震惊。在一个重大的行动之前，无论是在预测日军行动方面，还是在调动部队占领有利地形方面，蒋介石都不是很成功的。他总是在日军发动进攻之后，才急急忙忙把部队调往前线。……美国官员在谈到蒋介石的战略部署时说：‘对于一个足智多谋的军事家来说，他还是一个吃奶的孩子。’”
当然，美国人称誉他的“政治才能”，说蒋介石“在政治交易艺术方面，自古以来是无人能和他相比的。在平衡各派势力方面，他是一位大艺术家”。
中国军队在很大程度上靠的是一种精神和一种制度。参战的部队从水路、公路、铁路到上海，大部先在南翔车站待命。可不怕死的士兵见日本飞机来扔炸弹硬是不肯隐蔽和卧倒，他们显得十二分的勇敢，他们指着日机大骂，但许多人没有上战场就殉国了。桂军以英勇闻名，白崇禧亲自上前线指挥，6个师的部队迎着日军的坦克、大炮和机枪冲锋。桂军人人英勇，挺着身子往前冲，没有人利用地形地物，没有人匍匐前进，甚至没有弯下腰，像在战场上阅兵，士兵端着刺刀向坦克冲锋。毕竟肉体挡不住枪弹，队伍一堵一堵地倒下去，真是尸横遍野，6个师全部被击溃！
8月31日，日军海空协同攻占了吴淞镇，第6师奔赴吴淞与杨行和敌激战。这一天，上海作战部队传达了蒋介石大元帅发出的训示：
此次抗敌作战，为我民族死中求生之唯一出路，亦即我革命军人报国立功之大好良机，自应加倍奋励，各下不成功便成仁之最大决心，有进无退，有我无敌，歼灭寇虏，固我邦家。本委员长现率全国各军，誓与我袍泽同患难，共生死，兹特以至诚至严之意，与我全体将士约：凡贪生怕死，临阵畏怯，不能发扬战术与武器威力者，同济将士应共弃之。凡信仰动摇，精神松懈，不能尽其责任，而致贻误战机者，同济将士应共除之。大义所在，躬亲罔循，本委员长尤当按照军律以衡情论罪，不稍宽假，凡以上约言，亦即本委员长所以自励，苟有跨越，我全体将士，均可执约相加所不敢辞。望共禀之。
从某种意义上来说，战争的胜利是靠铁一般的纪律换来的，高度的一致是取胜的保证。但是，日本军队虽有武士道般的蛮横但没有蒋委员长那样的“训示”。为了完成攻击和包围中国军队的作战任务，刚登陆的第9师团以联队为单位集合，幸存者们在军旗前举行宣誓，并向天皇所授的军旗告别，以表示誓死的决心。这种形式庄严而肃穆。
这是一种训练。训练有素的军队是有战斗力的军队。如果把中国军与日军作一番综合素质的比较，那么，无论军事技术、纪律性及吃苦耐劳等方面特别是训练水平，日本兵都比中国兵强。参战者们普遍认为：两个中国兵顶不过一个日本兵。有的说，就军事技术而论，三个中国兵也打不过一个日本兵。
确实，中国兵中，特别是一些杂牌部队和以后增援的新兵，不少人没有受过训练，有的是刚征来的壮丁，连枪也不会放。
然而，就是这样的一支军队也创造了不少奇迹。当然，代价是巨大的。
反包围的杨行之战浴血了半个月。
中国军队第32师、第1军第1师和78师与日军藤田进师团反复搏击。32师在王修身师长的率领下，为挫败日军企图，拆掉了淞沪铁路的部分铁轨和枕木构筑坚固的阵地。
从9月6日开始，守卫在杨行镇西沪太公路旁的第1师就成了敌人的攻击重点。1师是从甘肃开来的胡宗南部队，1师师长李铁军采用主动夜袭的战法骚扰敌人。第一天是2团1营出发攻击，但立即被日军发觉，猛烈的炮火轰击了一个多小时才停息。
第二天日军整天炮轰，直到下午4点才停止，黄昏后数百敌兵向第3团阵地进攻。3团反击成功，但日军不甘心败退，又转到4团阵地猛攻，4团以更猛烈的火力实行还击。
愤怒的敌人用海陆空及炮兵向1师阵地全面进攻。猛烈的炮火把阵地工事全部摧毁。直到下午2点，日军步兵2000余人开始冲锋。
4团阵地一次又一次地修补，但都被炮火炸塌。轰隆隆的坦克车开过来了，六七辆坦克后面是多路步兵的冲锋队。
3营首当其冲。官兵奋勇搏斗，伤亡十之八九。营长黄廷辉负了重伤，8连长和9连长阵亡。1营赶来增援，与千余敌人肉搏厮拼。激战了两小时，敌人死伤累累，不得不退却败走。
阵地前，穿草黄色服装的日军尸体和丢弃的枪支弹药不少。1营官兵收拾了枪械，本想从敌尸上搜些文件证章符号，可是一无所获，只在一些日兵衣内发现一方白布，上有“南无阿弥陀佛”的毛笔字，还有两面白底旭日的日本军旗。
还没有打扫完战场，日军的炮火又开始发疯地射来，接着大队步兵朝1营冲来，1营伤亡大部。师长即令1团主力逆袭，1团1营、2营从左右两翼向日军包抄，顽强的日军拼命抵抗，中国军队前仆后继，最后把残敌逼进了一家民居。
日军凭借门窗阻击。2连一次又一次的进攻都被击退。营长发火了：“用火攻！”
火点着了，日军拒不投降。烧了半个多小时，烟火中发现重机枪两挺、轻机枪5挺、步枪30多支，还有一堆焦尸。
在第1师右翼的78师是从商丘来到上海战场的，9月5日到达南翔。师长李文奉命以策应第1师的正面战斗为己任，派出468团1营加强1师的正面防守。
78师是9月11日拂晓开始受到日军大规模攻击的。从早到晚阵地上一片烟火，激战时，每秒钟约有五六发炮弹爆炸！冲锋和反冲锋无以计数，双方死伤甚多。这场血战惊天动地，中央社记者发出战地电讯：
据午夜所得报告，昨日战事重心，完全移至杨行与月浦线。敌军由吴淞方面进犯时，全凭猛烈炮火作为掩护，计参加作战之敌军大炮，共达100余门。我军以血肉之躯，与敌军弹药相拼，作战精神之勇猛壮烈，足以惊天地而泣鬼神。当前晚我军由杨行后移时，敌军尚未发觉，仍以重炮猛轰两小时，然后始以步兵前进。我军俟其接近，即予猛烈反攻。战至昨晨，敌军卒不支溃退，死伤之重，得未曾有。唯我军再进至杨行镇时，敌又以重炮飞机轰炸，我军不得已再将阵线稍稍后移。迄午夜止，仍对该方敌军，严密监视中。
中央社又说：罗店与浏河之间，自昨晚至今晨，亦发生猛烈激战……