1937年7月，日本陆军在中国北平(北京)西南的芦沟桥挑起“七·七”事变。日本海军见陆军在华北得手，也力图在华东开辟新战场，将矛头直指当时的中国最大工业城市上海和首都南京。从7月中旬起，在上海的日本海军陆战队就频繁地进行夜间巷战演习，并不断制造事端。
8月9日，日本海军上海特别陆战队西部派遣队中尉队长大山勇夫带领1名士兵驾驶汽车直闯虹桥机场寻衅。守卫机场的中国保安队员开枪将2人击毙。11日，日本方面以此为借口，蛮横地要求中国政府取缔上海的保安队，撤除在沪西地区修筑的国防工事。与此同时，日本政府命令在华的侨民紧急撤退，分散在长江中上游的日舰迅速开赴淞沪水面待机。此外，日本海军还以“保侨”为名，从国内调来军舰和陆战队增强其上海的兵力。在此之前，日本海军已侵占了中国的嵊泗列岛。截至8月13日止，集结在淞沪及附近海面的日军兵力为：第3舰队司令官长谷川清指挥的“出云”号巡洋舰(旗舰)、上海特别陆战队(含舰载陆战队，共4000人)、第11战队(布雷舰“八重山”号及炮舰“安宅”号等10余艘)、第8战队(轻巡洋舰“鬼怒”号、“名取”号、“由良”号)、第1驱逐舰战队(轻巡洋舰“川内”号及第2、第9、第21驱逐舰大队)、第3驱逐舰战队(轻巡洋舰“北上”号及第23驱逐舰大队、第1和第21小型驱逐舰大队)、第16驱逐舰大队、第1航空战队(航空母舰“龙骧”号和“凤翔”号、第30驱逐舰大队)、第2航空战队(航空母舰的“加贺”号、第22驱逐舰大队)、第12战队(水上飞机母舰“神威”号、敷设舰“冲岛”号、第28驱逐舰大队)、第22航空队(搭乘运输舰“鹤见”号)，以及辅助舰船若干艘。此外，第1联合航空队(为日本海军精锐，由木更津、鹿屋两个岸基航空队组成)已进驻台北、济州岛机场待机。在上海的日侨数千人已被武装起来，准备策应陆战队作战。
上海地区的中国军队防御力量开始比较薄弱。根据1932年签订的《淞沪停战协定》，上海只驻有中国1个保安总队和少量武装警察。后来，见到日军重兵压境，才派张治中担任京沪警备司令，在苏州秘密主持强化淞沪地区防务的工作。
8月12日，张治中率领其主力部队进驻上海：第87师进至市区，其中一部进入吴淞；第88师布防北站－江湾一线；炮兵第8团及第10团1个营进入真茹、大场阵地；第56师担负长江防务；指挥部位于南翔镇。松江、浏河、太仓等地，仍由保安队守卫。中国海军练习舰队司令王寿廷率部分舰艇及警卫营在高昌庙一带警戒，并在黄浦江十六铺及长江江阴等地用沉船、石料、水雷构筑航道阻塞线，拆除航标。
8月13日上午9时许，日本海军陆战队约80人越过淞沪铁路冲入宝山路，在装甲车掩护下向中国守军进攻。经20分钟交战，日军后撤。16时许，日本海军上海特别陆战队司令部大楼顶上升起信号旗，其第3大队在炮火掩护下再次向八字桥、江湾路、宝山路、天通庵路发起猛攻，企图切断大场——闸北的联系，围歼闸北守军。中国军队奋起还击，打退来犯之敌。淞沪会战(史称“八·一三”事变)由此开始。
8月14日晨，中国空军机群首先出动，轰炸黄浦江中的日舰“出云”号以及日军陆战队司令部、日商公大纱厂(日军据点)、汇山码头等地，同日本海军在淞沪水面的军舰以及舰载机进行交战，互有损伤。同日下午，日本海军岸基航空兵第1联合航空队袭击了笕桥、乔司、广德的中国机场。中国空军第4大队高志航大队长率队拦截，击落敌机3架，首创纪录。第87师、第88师等部也向日军发动猛烈反击，夺回了日军在闸北、杨树浦等地占据的部分阵地。黄昏，中国军队奉命停止攻击。自8月15日后，双方军队频频交火，互有进退
8月20日，中国政府设立大本营，划苏南、浙江为第3战区，冯玉祥(后蒋介石兼)任司令长官，下辖：张治中的第9集团军、张发奎的第8集团军、刘建绪的第10集团军。8月22日，又增加陈诚的第15集团军，作为总预备队。
为了扩大对上海的侵略，日本政府决定出动陆军，任命松井石根大将为上海派遣军司令官，派遣第3师团和第11师团赶往上海。8月23日拂晓前，日本海军第5战队(重巡洋舰“那智”号、“羽黑”号、“足柄”号)、第9战队(重巡洋舰“妙高”号、轻巡洋舰“多摩”号)、第2驱逐舰战队(轻巡洋舰“神通”号及第7、第8、第19驱逐舰大队)、第1战队(战列舰“长门”号、“陆奥”号)、第3战队(战列舰“榛名”号、“雾岛”号)、第1潜艇战队(轻巡洋舰“五十铃”号及第7、第8潜艇大队)以及重巡洋舰“摩耶”号、“青叶”号、“衣笠”号，轻巡洋舰“大井”号和大批辅助舰船运送登陆部队抵达吴淞口外。日本海军的舰炮和飞机向吴淞口、七丫口、狮子林、浏河、杨林口、宝山等地倾泻了大量的炮弹和炸弹，守军工事受到严重破坏。载运日军第3师团的运输舰船首先强行冲入黄浦江，在吴淞铁路码头登陆。防守该地的中国警察总队一部抵抗失利后，退往南泗塘河西岸据守。中国军队从第87师和教导总队内各抽1个团实施反击。随后，又从第36师和第87师各抽1个旅，连同刚抵沪的第61师实施联合反击，均未奏效。至8月24日，已上岸之敌军第3师团在吴淞——张华浜之间开辟了一个正面约8公里、纵深约3公里的登陆场。与此同时，敌军第11师团也在川沙口、石洞口一带江岸登陆。在该地警戒的中国骑兵连后撤，敌军进而攻占罗店、狮子林炮台等地，并向宝山和浏河进犯。中国军队调第18军的两个师反击，当晚收复罗店，次日又击退月浦、狮子林之敌。
8月25日，日军飞机对上海狂轰滥炸。中国炮舰“永建”号在黄浦江上被炸沉。日本海军第3舰队宣布封锁长江口——汕头沿海，以配合淞沪作战。中国军队向川沙口、石洞口反击时，遭到敌舰炮和航空火力的严重杀伤，进展缓慢。中日军队在狮子林、月浦、罗店以北、川沙口以西一线对峙。
9月5日，日本海军开始全面封锁中国海域，并在长江中以猛烈的炮火配合陆军进攻宝山县城。守军第98师的姚子青营长率领500余名官兵坚守阵地，多次同敌军肉搏。最后，全营人员几乎全部阵亡，宝山陷落。
9月中旬，日本海军把原在华北的岸基航空兵第2联合航空队(飞机66架)调来上海参战，进驻公大机场。日本陆军第3飞行团也被调来上海。因此，日军掌握了华东地区的制空权。在海空优势火力的配合下，敌陆军频繁发动攻势，第3师团与第11师团的登陆场连成了一片，建立起正面40公里、纵深10公里的登陆基地。但是，日军仍然无法冲破中国军民殊死抗敌的强大防线。
于是，日本政府再次决定增兵。9月22日，日本陆军第101师团在淞沪江岸登陆，被配置到第3师团的左翼(10月初进至蕴藻浜北岸)。9月27日，日军第9师团也在同一地段上岸，以加强攻击兵力。10月1日，日军第13师团接着登陆，被配置在第3师团的右翼后方，作为第二梯队。这样，入侵淞沪的日本陆军已达5个半师团(半个师团是指9月14日在川沙口登陆的重藤支队)以上的兵力，约10万人。中国第3战区内仅正规军就集中了60多个师。其中，中央作战军部署在北站、江湾、万桥、罗店一线，右翼作战军在苏州河以南地区布防，左翼作战军防守嘉定、浏河及其以东地区。
自9月底起，日军在大批军舰、飞机的掩护下，对中国守军发动了新的攻势。日军第9、第3、第101师团猛攻刘行、顾村一带，企图夺取大场，实现中间突破，将中国部队拦腰切断。敌第11师团向罗店进犯，掩护主攻日军的右翼。进入市区的部分日军步兵和海军陆战队继续攻击闸北、江湾一线。中国守军顽强抵抗，许多要地几经易手，反复进行拉锯战。
10月21日，中国军队以新到达的第48军所辖的第173、第174、第176师进攻唐桥、孟村，以第66军之第159、第160师由赵家宅向东出击，以第54军的第98师自广福镇以南向东攻击，围歼进入蕴藻浜南岸的敌军。中国军队其他各部也同时向正面之敌发动攻势，以配合主攻。中国军队夺回了广福附近的阵地。次日，敌军乘中国反攻部队立足未稳之机，大举反扑。敌军动用了大批的海陆军飞机和火炮，并使用了烟幕弹，掩护步兵冲锋。作为日军预备队的第13师团也投入了作战。经过一昼夜的血战，到10月23日，敌军主力3个师团已突破庙行——陈行间的守军防线，直逼大场。敌军第11师团也进至南翔以东地区。中国军队退到小石桥、大场、走马塘、新泾桥、唐家桥一线。
10月24日晚，敌军从刘行向大场西面的塔河桥宅进攻，激战彻夜，大场——南翔公路被敌军控制约1公里路段。守军火速调来援兵，歼敌2000人，夺回了阵地。10月26日，敌军调集了更多的飞机和火炮，以40多辆战车为先导，掩护步兵从大场以西突破中国阵地，攻占胡家宅、塔河桥宅等地。守军从大场、庙行、江湾、闸北等处阵地后撤，退至浏河、曹王庙、澄桥、广福、小南翔、江桥、北新泾、梵王渡一线。中国军队第88师524团团副(后任团长)谢晋元率400余名官兵奉命坚守苏州河以北的四行仓库，掩护主力撤退。这些勇士们不畏强敌，浴血苦战4昼夜，歼敌200余人后于10月31日撤往英租界(因原计划退路已被切断)。
10月28日起，日军开始以小部队试图从苏州河北岸渡河，攻击南岸的中国部队。一连几天，均被逐回。11月1日，日军第9师团右翼部队抢渡成功，占领了南岸部分阵地，掩护后续部队渡河。4日，过河敌军向虹桥逼近，敌军一部在高桥以东及白龙港登陆，进犯浦东。中国军队急调在杭州湾北岸的第186旅驰援虹桥，独立第45旅赶赴川沙张栅镇狙击敌军。这样，杭州湾北海岸兵力就显得十分薄弱。澉浦——东门港约100公里海岸仅剩下第63师，东门港——白龙港约70公里海岸只有第184旅，而且部队又处在换防过程中。日军抓住这一有利战机，及时在该地又进行一次大规模的登陆行动，代号为“H”作战。
10月20日，日本大本营为了打破上海战局的胶着状况，决定新组建陆军第10军增援上海。柳川平助中将任第10军司令官，下辖第6、第18、第114师团及国琦支队(第6旅团主力)。与此同时，日本海军也新编了第4舰队，任命丰田副武海军中将为司令官。第4舰队辖：重巡洋舰“足柄”号(旗舰)、第9战队(重巡洋舰“妙高”号、轻巡洋舰“多摩”号)、第14战队(轻巡洋舰“天龙”号、“龙田”号)、第4驱逐舰战队(轻巡洋舰“木曾”号及第6、第10、第11驱逐舰大队)、第5驱逐舰战队(轻巡洋舰“夕张”号及第13、第16驱逐舰大队)。另外还成立了中国方面舰队，海军中将长谷川清任司令长官，统一指挥第3和第4舰队。
11月4日，日本第10军主力搭乘90余艘运输船，分作3批在海军第3和第4舰队护送下到达杭州湾。与此同时，日本海军一支舰船特遣队驶至宁波甬江口，对镇海海防要塞进行炮击，以转移中国军队的注意力。11月5日凌晨5时许，日军第1波登陆兵开始换乘舟艇。日军分为3路登陆：第18师团主力在金山嘴以东上岸，第6师团和国琦支队在金山卫以西登陆，第18师团之第35旅团在全公亭上岸。敌军登陆时，未遇到中国军队的大规模抵抗，国琦支队立即占领了金山卫。随后，敌军分作2路北进。右路是敌第6师团和国琦支队。第6师团于11月6日占领松隐，11月8日越过黄浦江到达松江以南地区。11月9日，国琦支队攻占松江。11月11日，第6师团攻陷青浦。11月15日又占领昆山。左路为第18师团，于10日进占枫泾，11月19日攻下嘉兴。日军后续的第114师团于11月9日在金山卫上岸后，这时也到达嘉兴附近，尔后协同第18师团经湖州、广德向南京方向进攻。
日军在杭州湾登陆后，迅速插向淞沪战场的西面，使正在鏖战的中国军队两面受敌，形势急剧恶化。中国第3战区指挥部急令第62师主力从东门港向西转移，并调独立第45旅及新到枫泾的第79师前往阻击，在青浦之第67军推进至松江。但各部均未能及时赶到指定位置。11月8日晚，第3战区下达了撤出上海的命令，上海市区于11月11日沦陷。
11月13日，日军又进行了一次代号为“K”作战的大规模登陆。以扩大淞沪作战的战果，并企图切断中国军队的退路。日本海军出动了轻巡洋舰“北上”号、“球磨”号、“大并”号及第1、第11、第21小型驱逐舰大队、第11扫雷艇大队、第1炮舰大队等部驶入长江，掩护日军重藤支队首先在七丫口、白茆口登陆。接着，日军第16师团也跟着在该处上岸，同从上海西进的日军配合，占领了嘉定。11月14日，日军第11师团攻取了太仓、浏河。11月15日，第6师团占领昆山。11月19日，第16师团夺取常熟，第9师团占领苏州。中国守军全线溃退，淞沪战役结束。
这次淞沪会战是中国近代史上规模最大的一次抗登陆作战。日本海军动用了第3、第4两个整建制舰队以及其它舰队和基地的大批舰船、舰载航空兵和岸基航空兵一半以上的飞机、约万名海军陆战队投入作战。日本陆军抽调9个建制师团和若干独立旅团，以及其他部队在淞沪地区登陆。中国军民奋勇抵抗，以巨大的牺牲粉碎了日本帝国主义妄图3个月灭亡中国的美梦。淞沪会战是中国人民由局部抗战发展成为全面抗战的历史转折点。在这次战役中，日本海陆军共死亡9115人，受伤31257人(日方资料，截至11月8日)。这是日本发动侵华战争期间伤亡最多的一次战役。