9月14日，蒋在日记中写道：“我今集中兵力，在上海决战乎？抑纵深配备，以为长期抗战乎？”这正是他当时矛盾心态的反映。此时，从全国各地抽调的部队正陆续到达淞沪战场，因此蒋介石仍决心长期坚守上海，拼命死守，同日军打心理战：“各部虽死伤大半，然不支撑到底，何以慑服倭寇？”而且日本国力有限，蒋介石料定他们必然知难而退。16日、17日，为了给前线将士打气，蒋委员长曾亲往昆山督师。
但是，在敌人优势炮火的压制下，中国军队在阵地上与日军苦战，伤亡是一方面，另一方面是当日军逐渐掌握制空权以后，军队的后勤补给越发困难。以至于有的第一线战士苦战终日，却吃不上一顿饭；弹药的补充也经常不足，乃至大大影响了战斗力。
另外，战场上的恶劣环境也让人很难忍受，广西籍的抗战老人郑忠直曾回忆道：“‘八一三’淞沪抗战时候，天气正热，头天人死了，太阳一晒，肚皮就鼓得老高。夜深人静，你蹲在战壕或者掩体里，那种恶臭随风一阵阵飘来，让人翻肠倒肚，更让人恶心的是，你还能听见身边尸体发出肚子爆裂开来的‘砰砰’的响声……”
鉴于上海战场上的新情况，中国统帅部于是在9月21日对第三战区的部队进行了调整。蒋介石的命令如下：
（1）司令长官由本委员长兼，副司令长官顾祝同。
（2）左翼军总司令陈诚，右翼军总司令张发奎。
（3）左翼军以第九集团军、第十九集团军、第十五集团军组成之。
（4）右翼军以第八集团军、第十集团军组成之。
（5）第九集团军总司令张治中，副总司令黄琪翔；第十九集团军总司令薛岳，副总司令吴奇伟；第十集团军总司令刘建绪。
命令刚刚下达，就赶上了张治中的辞职报告被批准。同日，统帅部便又追发一道电令称：
（1）第三战区黄浦江以西蕴藻浜以南地区划为中央军，朱绍良为总司令，以第十八师及第九集团编成之。
（2）第九集团军总司令，由中央军总司令朱绍良兼。
（3）左翼军以第十九、第十五集团军编成之，右翼军仍以第八、第十集团编成之。
先有个左翼军、右翼军，同一天又蹦出个中央军，既在指挥系统上增加了一个层次，又两次改变部署，可谓朝令夕改。
上海的苦撑待变，终究是寄希望于国际社会带给日本的压力，然而也并不理想。8月25日，日本宣布对上海至汕头之间的中国海岸实行封锁，9月，英国、美国无奈地认可了日本的封锁行为。
8月30日，中国向国联理事会提交了关于日本侵华事件的声明，提请国联审议。9月7日又提交了关于日本侵华的补充声明，9月12日提交了中国政府的申诉书。13日国联大会开幕，此后的几天讨论了中国的申诉书，10月6日大会通过了决议，给予了中国以道义上的支持与声援（日本于1933年已退出国联，美国非国联成员国）。
国联表示，已经查明日本犯有破坏条约的罪责，并正式以文字形式指责日本违反了《九国公约》和《巴黎非战公约》；大会建议各成员国为表示对中国的精神援助，除不妨碍中国进行抵抗外，也可单独协助中国抵抗日本。同时，大会决定召开九国公约签字国会议，来讨论中日冲突——会议的结果如何，令蒋介石非常的期待，给了他在上海坚持到底的信念。
当然，最使中国感到鼓舞的，还是10月5日美国总统罗斯福发表的著名的《防疫隔离演说》。罗斯福指出，目前国际上毫无法纪的瘟疫正在蔓延，而战争就是一种带有传染性的瘟疫；因此，当出现战争瘟疫时，所有爱好和平的国家必须坚持表达和平的愿望，以使那些图谋破坏彼此间协定和他国权利的国家停止其行为。
这篇演说措辞强硬，大大鼓舞了中国的抗战信心与斗志。只是当时的美国公众普遍奉行孤立主义，罗斯福作为美国总统，权力却是受到诸多限制的，所以暂时还不可能改变美国相对冷漠的基本立场。甚至还有很多美国人对于总统的这篇演说持强烈的反对态度，他们“不相信传染病会蔓延到他们那里。他们宁愿把自己孤立起来，而不愿参加驱除疾病的没有把握的努力”。
反对美国卷入国际纠纷的孤立主义思潮，在美国有着深厚的传统与广泛的影响，孤立主义势力强大的美国国会及其所制定的《中立法》，严重地束缚住了罗斯福政府进行外交活动的手脚。另外，美国不可能积极卷入中日战争还有其他方面的因素，比如：当时纳粹德国在欧洲的侵略扩张导致西方局势日益紧张，成为了罗斯福政府对外政策优先关注的重点（先欧后亚）；此时美国军备薄弱，还不可能立即强大到具有对日作战必胜的把握；再者，美国众多的资本集团从对日贸易中获益甚丰，为保住财路，他们也是反对制裁日本的。
在鲍惠尔所著的《在华二十五年》中就提到一件事：有一位反战团体负责人鉴于日本大量从美国输入废铁，深感忧虑，于是便前往说服那位“美国废铁大王”。双方争执了半天，最后那位大王气呼呼地说道：“我是卖废铁的，只要有钱，就是魔鬼来买我也卖！”
尽管如此，中国方面还是要争取更多的国际支持与国际同情。10月15日，身为中国外交部长的王宠惠向美国听众播音，其中专门说道：“根据人道与正义之立场，中国谨向美国大众请求二事：（1）万不可直接或间接资助侵略者予以便利；（2）应极力使中国伸张今日之生死抗战。”
虽然这一切努力并未收到太及时、太明显的效果，但是美国同情中国、认同中国的基调就此开始奠定，这为后来两国的密切合作埋下了伏笔。
中国利于长久拖延，而国力有限的日本则愈加迫切地希望速战速决。面对中国军队的顽强防御，松井石根这个攻坚战专家也不得不改弦易辙了。
本来，松井的意图是直趋嘉定、遮断南翔，把中国军队赶出上海。但是鉴于淞沪战场全线均呈胶着状态，原计划已不可能实现，松井只得决定缩小包围圈，集中兵力实施中间突破，以罗店、大场公路为轴线，突破大场，包围沪西的中国军队。
9月29日，松井制订的作战指导是：“（1）放弃攻占杨泾河西岸敌军阵地的企图，以主力左旋向南，由右向左按第9、第3、第101师团为第一线，对大场镇附近进行攻击。（2）第11师团进至杨泾河一线后，亦向左回旋，掩护主力右侧背。（3）第13师团作为第二线兵团保持于军主力右翼后方。（4）按上述部署兵力攻至大场镇地区后，继续向苏州河一线攻击前进；当主力南进时，第11师团亦应尽可能向南移动，面向西方，掩护军主力之侧背。”（《长编》）
由于日军兵力的增加和主攻方向的确定，10月1日，第七十七师在刘行、万桥的阵地为日军突破，顾祝同于是当夜下令左翼作战军向蕴藻浜北岸的陈家行、杨泾河西岸、浏河镇之线后撤。在后撤过程中，由于中国军队组织不力，导致掩护部队伤亡甚重，形势不容乐观。
不过日军的伤亡也不小，8月的时候，华北战场的日军伤亡人数是淞沪战场的3倍；截至9月，淞沪战场的日军伤亡总数急剧上升，共达12334名，而此时华北日军伤亡人数为8562名。这样一来，整个9月的单月损失，淞沪战场就是华北战场的两倍，而上海方面的兵力却只有华北战场的四分之一，可见上海战事的激烈程度。
到10月23日，淞沪战场日军伤亡累计已达25323名，已经大大超过了华北战场。几个主力师团的伤亡情况，甚至达到了足以令军部震惊的程度。比如号称日本陆军最精锐部队之一、善打硬仗恶仗的第九师团，其整个师团在淞沪会战中阵亡3833人，另有8527人负伤，更有大量尉佐级军官被中国的狙击手送进了靖国神社（中国军队此时已经大量装备了带瞄准镜的狙击步枪），整个师团的损失率达到了六成以上，已经近乎被打残。
对于中国军队的顽强防守，以及日军的困难情形，日方的田中军事课长记述道：
在上海作战中，中国军的抗战意志和步兵的战斗力，完全超出了陆军省部的预料。其主要原因则在于严酷的督战组织。中国军的步兵在日军无情炮击下，坚守阵地绝不后退。因后退时必遭枪决。
中国军步兵战术的要诀是靠近日军步兵战线。这样不仅能避免日军远程武器的炮弹轰击，并可最大限度发挥他们所信赖的近距离武器，拉火手榴弹和迫击炮的效果。可以说他们采取的是置之死地而后生的步兵战术。中国步兵素以狙击见长。日本军官经常成为最好的狙击对象，特别是军官的肩章、参谋绶带、马靴、军帽等成为他们射击目标。为此，在我军中曾出现要求改革服制的呼声。
日军步兵弹药缺乏，使上海我军陷入苦境。同中国军的77个师交战的上海派遣军，因炮弹缺乏十分苦恼。首先是野炮、山炮等炮弹不足，机关枪、手榴弹也缺乏，仅步枪有余。此外，对每个中队配备4门15榴及12榴的炮弹每天也限制在30发左右。资材的配备不能适应战斗的特点。（《长编》）
其实不打仗不知道，一打起来才明白，原来认为能使用一年的炮弹，其实几个月就可以打光。比如一战时，英国人判断自己的炮弹够用半年，可开战3个月就打光了；法国以为够用3个月，可是6周的时候就不得不开始定量配给，经马恩河一战就打光了所有炮弹。
日本本身的生产能力有限，初期尤其是这样，因此只得购买美国的炮弹。如果不是美国军火商贪心，日本这仗还真的未必能打得下去。日本作为一个资源小国，大量装备使用三八步枪也是无奈，因为他们根本供应不了冲锋枪的弹药；也只得严格训练枪法，争取一颗子弹消灭一个敌人。
面对中国军队的顽强防守，日军统帅部决定第三次大规模增援上海战场。
就在10月9日至12日之间，日本参谋本部和陆军省确定了调兵增援上海的基本方案：将新派遣到上海方面的兵团组成一个军，该军不作为上海派遣军增援部队的一部分，而是单独行动，预定在10月30日前后，于杭州湾北岸的金山卫附近进行登陆作战，然后一举抄袭中国军队的后路。
5.桂军上场
还在10月1日前后，蒋介石有鉴于七七事变以来种种战略策略均告失败，不得不暗自反省了对日关系及战略问题。经过一番检讨，他确信自己的对日战略策略之无效，根本上不在于自己一方之失策，而在于日本侵华野心之不可遏制。
为此，蒋介石写道：倭寇一得国际动摇机会，必先向我进攻，此为无可挽回之事。如我与日本妥协，无论至何程度，彼少壮派侵略之宗旨必得寸进尺，漫无止境，一有机会，彼必不顾信义，继续侵略而不止矣。故此次抗战，无论结果如何，如不抗战而与倭妥协，则国乱形势绝非想象所能及也。因此，与其坐而待亡，不如死中逃生，保全我国格，以留待后人会继起而复兴！且本月战事虽危急，但并不出于意外。一方面上海仍能勉强支持，另一方面本来国防计划亦仅限陇海路以北之线，冀察得失不关胜负。“惟山西失利实出意外……收复华北失其依据矣”。
鉴于上海的不利态势，蒋介石又于10月8日决定，调骁勇善战的桂军加入上海战场。10月15日，蒋介石还在日记中给自己打气道：“相持半年，迟至明年3月，倭国若无内乱，必有外患，须忍之。”
自从“九一八”之后，为了应付大规模的战争，李宗仁、白崇禧等人在广西实行了“寓兵于团”的政策，采用征兵制，大办民团。可以说，李、白此举棋高一筹，不但大大提升了军队的动员和补充能力，也大大地充实了广西的军事实力。到抗战爆发时，广西全省受过训练的壮丁已达120万人，占全省人口十分之一。广西并不是一个经济发达的省份，只是在李、白等人的努力下，出现了难得的兴旺景象；假如全中国都能够达到这种军事动员水平，那么同日军血战到底就有了可靠保证。
桂军既有先前的威名，在装备方面也可谓一流。自从1932年以后，广西每年向德国定购新式步枪1万支，据当时的桂军兵站分监蓝香山回忆，到抗战前仅仅由他经手购进的步枪已达5万支，可供三个军的装备；另外还购进了自动步枪1000支，钢盔5万顶。1935年时，白崇禧还曾密嘱有关人员，须在两年以内准备好16个师所需的有线和无线通信人员和器材，以及足够的服装。这一命令得到了很好的贯彻，出省抗战的桂军可谓气象一新。
8月底时，李宗仁出任第五战区司令长官，他此前已经在广西进行动员，在第五路军的基础上，先后编成第二十一集团军（廖磊任司令）与第十一集团军（李品仙任司令）。留守的部队编成第十六集团军，夏威任司令。8月下旬，第二十一集团军开赴第五战区所属的徐州、海州一带集中。需要指出的是，桂军各级干部均系白崇禧所熟知的亲信，李宗仁只能听其摆布而已，可见李、白二人的微妙关系。
在接到蒋介石的临时调令后，桂军先后投入淞沪战场的有第一七一师、一七三师、一七四师、一七六师、一七○师、一七二师等6个师，桂军采用乙种师编制，每师约1万人。在战场上进行指挥的是第二十一集团军司令廖磊及第四十八军军长韦云淞。在投入作战之前，白崇禧在南京还曾对前来的第四十八军副军长张义纯说道：“这次抗战是国际战争，我们是国家培养出来的军人，守土有责。过去打的都是内战，现在是对外抗战，一定要拼老命，要好好地打。”打给大家看看，打给外国人看看。
可是小诸葛就是小诸葛，他明白保存自己是第一位的，所以他又补充道：“抗战是长期的，我们只有这点兵力，务必好好使用。”
10月中旬，桂军进入了淞沪战场。廖磊此前先去了苏州面见顾祝同，得到的任务是：“目前主战场在大场至南翔间，战斗很激烈，每个整编师在阵地上只能支撑三五日，桂军应在真如、南翔间进入第二阵地，支援和稳定第一线。”
蒋介石之所以急于调桂军加入上海战场，还是基于他对国际形势的判断。10月16日，比利时向美国、英国、日本、法国、意大利、荷兰、葡萄牙、中国等有关国家发出邀请，初定同月30日在布鲁塞尔召开《九国公约》签字国会议。《九国公约》本来的一大意图就是遏制日本独霸中国的野心，所以蒋介石希望通过该次会议，使各国能够仇视日本并对其实施经济制裁，最好能够促使美、英两国允许苏联参战。
也正是出于这一心理，蒋介石希望在该会议召开之前，上海战场能有较好的战绩，至少要能够坚守住上海，让战争还能继续发生在国际人士的眼皮底下，让他们不但听得见，还能看得见，从而受到强烈的刺激。当月，蒋委员长还特意通电全军将士，说明九国公约会议即将举行，全体将士“尤当特别努力，加倍奋励”，“于此时机表示我精神力量，以增加国际地位与友邦同情”。
“上海这一仗，要打给外国人看看”，蒋介石还专门向唐生智表示道。
