2月14日，日軍陸軍中將植田抵滬，兵力增至3萬餘人。
2月16日，張治中向蔣介石請戰，蔣介石命軍政部派張治中率嫡系第5軍抵滬，並命令：“着第5軍歸蔣總指揮光鼐指揮。”蔣光鼐決定實行區分作戰，下達了兵力佈置命令。以第19軍軍長蔡廷鍇爲右翼軍指揮，佔領南市龍華、真如、閘北、八字橋、江灣一線，軍部設在真如；以第5軍軍長張治中爲左翼軍指揮，佔領江灣北端一線，及死守吳淞要塞，軍部設在劉行鎮。各部務於17日拂曉佈防完畢。
2月18日，日軍發出最後通牒，要求我軍退出租界20公里，撤去此範圍內軍事設施並永不重建。“父親憤然拒絕這些無理要求，斷然下令：用大炮回答它！”
20日晨，日軍發起進攻，父親一面指揮部隊，一面以19路軍名義通電全國：“軍人報國，粉身碎骨是份內事，大戰開始之日，即本軍授命之時。使一卒一彈猶存，則暴日決不得逞……”這種拼死抵抗的決心，引起了蔣介石的不滿。
蔣介石直接打電話責問蔣光鼐說：“這個仗打得差不多了，下令停火吧！”
蔣光鼐當即頂撞說：“衛國保土乃是軍人天職。強敵壓境，怎能不奮起自衛？這仗一定要打，而且已經打起來了，無法收手！”
在19路軍的抗擊下，江灣、廟行兩處爭奪激烈，雙方都傷亡慘重。22日，日軍傾巢出動，向我軍廟行、江灣陣地猛攻，企圖從中方守軍的陣地中央突破，然後向兩側擴展，將19軍和第5軍各個擊破。守軍沉着應戰，指揮部調度有方，接連挫敗日軍的進攻。
雙方激戰數日，日軍始終未能前進一步。植田“中央突破”的計劃終告破產。
“淞滬抗戰”激勵全國，後方官兵紛紛請纓抗戰，蔣介石拒絕再向上海增兵。而日本內閣決定組建上海派遣軍，派前陸軍大臣白川義則任司令官統一指揮。
下午8時，我軍因援絕兵盡，全線動搖。當晚11時，蔣光鼐被迫含淚下達全線撤退的命令。全軍上下“擐甲哀鳴，淚盡以血”。
19路軍的英勇抗戰雖然受到國民黨政府的壓制，但得到了民間的大力支持，國民黨政府欠下19路軍數月軍餉，全依靠國內外的捐款才得以彌補；沒有武器補給，竟然用上海總工會自制的土炸彈來抵抗日軍的鐵甲裝備；上海一天之內開闢出幾十個傷兵醫院。“父親他們也一次次向全國通電，表達了誓死保衛國土、抗戰到底的決心。”蔣建國說，“19路軍與第5軍乘夜各自按照指定路線撤退，秩序井然，天亮時，主力部隊及輜重已離開戰場40裏，而日軍並未覺察。到2日午後，日軍才發現中方主力已經轉移，開始追擊，而中方掩護部隊按計劃逐次抵抗，使19路軍與第5軍順利後撤到第二防線。”
3月3日，“國聯”開會決定，要中日雙方停止戰爭。以後，大規模戰事基本停止。
5月5日，中日簽訂《上海停戰協定》。
蔣介石決心對“違令”的19路軍加以整肅。5月6日，蔣下令將該軍一個師調往江西歸南昌行營指揮；一個師調往武漢歸武漢行營指揮；1939年蔣光鼐和周恩來在重慶曾家巖合影一個師調往安徽。蔣光鼐、蔡廷鍇等人據理力爭，堅決不服從。
5月8日，蔣光鼐在杭州寫信1給蔣介石，請求辭去19路軍總指揮職務。
5月28日，在蘇州舉行“淞滬抗戰”陣亡將士追悼大會，各界人士4萬多人蔘加了大會，蔣光鼐念及數月來所思所感，凝悲憤於筆端，揮毫親撰一聯：
自衛乃天賦人權，三萬衆慷慨登陴，有斷頭將軍，無降將軍，石爛海枯猶此志；相約以血湔國恥，四十日見危授命，吾率君等出，不率其入，椒漿桂酒有餘哀。
