2月14日，日军陆军中将植田抵沪，兵力增至3万余人。
2月16日，张治中向蒋介石请战，蒋介石命军政部派张治中率嫡系第5军抵沪，并命令：“着第5军归蒋总指挥光鼐指挥。”蒋光鼐决定实行区分作战，下达了兵力布置命令。以第19军军长蔡廷锴为右翼军指挥，占领南市龙华、真如、闸北、八字桥、江湾一线，军部设在真如；以第5军军长张治中为左翼军指挥，占领江湾北端一线，及死守吴淞要塞，军部设在刘行镇。各部务于17日拂晓布防完毕。
2月18日，日军发出最后通牒，要求我军退出租界20公里，撤去此范围内军事设施并永不重建。“父亲愤然拒绝这些无理要求，断然下令：用大炮回答它！”
20日晨，日军发起进攻，父亲一面指挥部队，一面以19路军名义通电全国：“军人报国，粉身碎骨是份内事，大战开始之日，即本军授命之时。使一卒一弹犹存，则暴日决不得逞……”这种拼死抵抗的决心，引起了蒋介石的不满。
蒋介石直接打电话责问蒋光鼐说：“这个仗打得差不多了，下令停火吧！”
蒋光鼐当即顶撞说：“卫国保土乃是军人天职。强敌压境，怎能不奋起自卫？这仗一定要打，而且已经打起来了，无法收手！”
在19路军的抗击下，江湾、庙行两处争夺激烈，双方都伤亡惨重。22日，日军倾巢出动，向我军庙行、江湾阵地猛攻，企图从中方守军的阵地中央突破，然后向两侧扩展，将19军和第5军各个击破。守军沉着应战，指挥部调度有方，接连挫败日军的进攻。
双方激战数日，日军始终未能前进一步。植田“中央突破”的计划终告破产。
“淞沪抗战”激励全国，后方官兵纷纷请缨抗战，蒋介石拒绝再向上海增兵。而日本内阁决定组建上海派遣军，派前陆军大臣白川义则任司令官统一指挥。
下午8时，我军因援绝兵尽，全线动摇。当晚11时，蒋光鼐被迫含泪下达全线撤退的命令。全军上下“擐甲哀鸣，泪尽以血”。
19路军的英勇抗战虽然受到国民党政府的压制，但得到了民间的大力支持，国民党政府欠下19路军数月军饷，全依靠国内外的捐款才得以弥补；没有武器补给，竟然用上海总工会自制的土炸弹来抵抗日军的铁甲装备；上海一天之内开辟出几十个伤兵医院。“父亲他们也一次次向全国通电，表达了誓死保卫国土、抗战到底的决心。”蒋建国说，“19路军与第5军乘夜各自按照指定路线撤退，秩序井然，天亮时，主力部队及辎重已离开战场40里，而日军并未觉察。到2日午后，日军才发现中方主力已经转移，开始追击，而中方掩护部队按计划逐次抵抗，使19路军与第5军顺利后撤到第二防线。”
3月3日，“国联”开会决定，要中日双方停止战争。以后，大规模战事基本停止。
5月5日，中日签订《上海停战协定》。
蒋介石决心对“违令”的19路军加以整肃。5月6日，蒋下令将该军一个师调往江西归南昌行营指挥；一个师调往武汉归武汉行营指挥；1939年蒋光鼐和周恩来在重庆曾家岩合影一个师调往安徽。蒋光鼐、蔡廷锴等人据理力争，坚决不服从。
5月8日，蒋光鼐在杭州写信1给蒋介石，请求辞去19路军总指挥职务。
5月28日，在苏州举行“淞沪抗战”阵亡将士追悼大会，各界人士4万多人参加了大会，蒋光鼐念及数月来所思所感，凝悲愤于笔端，挥毫亲撰一联：
自卫乃天赋人权，三万众慷慨登陴，有断头将军，无降将军，石烂海枯犹此志；相约以血湔国耻，四十日见危授命，吾率君等出，不率其入，椒浆桂酒有余哀。