1月28日夜，日本悍然向闸北一带进攻，十九路军立即奋起抵抗，震惊中外的“一·二八”事变爆发。1月29日，蒋光鼐、蔡廷锴等人向全国发出通电，表示守土有责，尺地寸草，不能放弃，为救国保家而抗日，虽牺牲至一卒一弹，绝不退缩。
十九路军全军官兵在广大群众的鼓舞、支援下，爱国热情空前高涨，坚守阵地，不断击退日军的猖狂进攻。蔡廷锴以大无畏的胆略，在枪林弹雨中亲临前线督战，激励士气。当时敌我兵力悬殊，十九路军全军约3万人，再加上2月中旬来援的张治中第五军，总共也只有4万多人。而日方不断增兵最后达七八万人，并且还配有大量大炮、坦克、飞机、战舰。但十九路军从1月28日至3月1日坚守上海，抱着誓死报国的精神，与敌血战33天，前仆后继，死伤约万人，经历了闸北巷战、吴淞要塞战斗、八字桥战斗、蕰藻浜战斗、江湾与庙行战斗、浏河战斗等战役，使日本侵略军受到重创，死伤万余名，并四度更换指挥官。
最后，由于国民党政府坚持对日不抵抗政策，不再增派援兵，3月1日，日军在太仓浏河登陆，十九路军被迫撤离上海，退守到嘉定等地。蔡廷锴、蒋光鼐等于3月2日通电全国，表示决本“弹尽卒尽”之旨，不与暴日共戴一天。日军经过十九路军严重打击，侵占上海的阴谋终不能得逞。经过英、美等国“调停”，中日双方于3月3日宣布停战。
淞沪大战异常激烈，远远超过了日军的预料。他们遇到了中国军队前所未有的顽强抵抗。日军虽然占领了中国军队的第一道防线，却已是强弩之末了。一个仅有3万人的十九路军就让他们难于对付，如果再扩大战端，确实没有取胜把握。于是，5月5日，日本就与南京国民政府签订了《淞沪停战协定》，“一·二八”事变结束。
十九路军淞沪抗战是我国对日作战从未有过的大捷，这次战役意义重大，既振奋了全国军民的抗日精神，激发了全民族的抗日热情，同时，还对以后的全面抗战产生深刻的影响。蔡廷锴也因指挥淞沪抗战功勋卓著，被海内外誉为“抗日名将”、“民族英雄”。