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第二天，日军第二十四混成旅团第一线部队乘着晨雾，突入庙行镇东端的守军阵地。第八十八师预备队全部投入战斗，付出了很大的伤亡，还没能将日军击退。张治中率领预备队赶到第八十八师指挥所，命令孙元良的第二五九旅正面增援庙行镇，又派宋希濂的第二六一旅从纪家桥渡河，抄袭日军侧背。
很快，久经沙场的蒋光鼐看准了日军的心理：他们伤亡惨重，一定会止步不前。蒋光鼐决定：从江湾镇、庙行镇和蕴藻浜三个方向，同时向日军发起反突击，合围歼灭庙行镇的日军。下午3点，三路部队到达出击位置，展开全线反击。
植田获悉混成第二十四旅团被围，急令第七步兵联队和吴淞支队一部前往救援。反突击部队与日军展开白刃近战。战到晚上，大部分日军乘着夜色突围逃窜，其余日军被歼灭。庙行之战是开战以来最为惨烈的一次战斗。中外报纸一致认为，这是淞沪抗战的最高战绩。
过了两天，日军经过调整部署，改用重点进攻突破一点的战术，第九师团主力分三路向江湾、小场庙和庙行发起猛攻。日军动用大约一万人进攻小场庙正面，几分钟内向金家塘阵地发射了几百发炮弹，守军难以支撑，阵地被日军突破。守军增援部队很快赶到，分三路反击，血战到晚，重创日军，收复了原来的阵地。
日军第九师团的失败，加上战旗舰“出云号”被中国敢死队炸伤，促使日本政府增派两个师团，组成上海派遣军，总兵力达到七万多人，飞机三百多架，加上海军第一舰队和第三舰队，司令官换成了白川义则大将。这时，中国在上海的总兵力只有四万多人，并已相对减弱，武器损坏极大，而战线绵延五十多公里。守军多次向蒋介石求援，得到的回答是“固守”和“加强戒备”，却迟迟不见援兵到来。
2月29日，白川指挥日军开始新一轮的总攻击。日军为了掩护主力第十一师团在浏河一带登陆，向庙行镇方面发起猛攻，同时向闸北几个地点展开频繁攻击。天通庵附近的守军和日军激烈对抗八个小时，不断派敢死队跃出战壕，短兵相接，迫使日军全部退却。在闸北八字桥，守军与日军形成拉锯战，阵地三失三得，伤亡很大，日军也丢下大量尸体，联队长林堀大佐被守军击毙。
第二天，日军继续猛攻，仗着优势兵力，多次突破守军阵地，又多次被守军夺回。敌我白刃相接，血肉横飞。由于浏河守军大部分调到正面增援，日军第十一师团趁机强行登陆，守军一个连及少数义勇军寡不敌众，日军侵占了浏河，向嘉定方向急速推进。
浏河失陷，第十九路军侧面及后方都遭到严重威胁，指挥部迫不得已，当晚下令全军退守第二道防线，在黄渡、方泰、嘉定和太仓一带布防。张治中率部转移时，在葛隆镇与日军激战，第五一七团奋力阻击日军，使撤退的中国军队避免了被日军切断退路的危险。
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