1月26日，日方限令在48小时内（即1月28日下午6时前），对日本领事村井的关于封闭上海市各界抗日救国会和封闭上海《民国日报》的要求，作出“圆满”的答复，不然就要自由行动。当晚，日舰队司令盐泽幸一又发出另一个以护侨为名的通牒，限令第十九路军立刻退出闸北，让给日军进驻。盐泽没有等待答复，就下令开始军事行动。
1月28日深夜23时30分，日寇分兵五路在闸北通庵路突然向第十九路军翁照垣旅袭击。蔡廷锴下令守军“为自卫计，应迎头痛击”。于是，守军当即给予还击，发生猛烈巷战。蒋光鼐、蔡廷锴、戴戟三人星夜步行经北新泾到达真如车站，设立临时指挥部，依照原定计划，电话命令后方部队迅速向上海推进。29日天亮，日军飞机出动助战，在闸北、南市一带滥施轰炸，由于守军的顽强抗击，日军各路进攻均被挫退。中午，蔡亲临闸北等处视察，鼓励官兵英勇杀敌，为国立功。这天，蒋光鼐、蔡廷锴、戴戟三人联名向全国各界发出通电，表示“尺地寸草，不能放弃”的决心。
1月31日晚23时，日军再度向第十九路军闸北防地猛攻，又被守军奋勇击退。战至2月4日，敌军开始第一次总攻，战火从闸北蔓延到江湾、吴淞一带，各线均展开激烈的战斗。结果，在闸北方面进攻青云路守军的日寇被击退，吴淞屹然无恙；进攻江湾的敌军一联队（即一团）被包围歼灭。蔡即与蒋密商，乘胜反击日军，经过几小时的战斗，重创敌人，完全粉碎了日军的总攻。盐泽幸一因此而被免职，调回日本。
2月6日，何应钦却下严令，要第十九路军撤退，并责问蔡廷锴，说：“谁叫你打仗？”然而，蔡没有理睬何的这个命令。
接替盐泽幸一到上海的是海军第三舰队司令野村。野村到沪后，敌海陆空军已增加到一万多人，蔡廷锴估计不久必有剧战，于10日冒着敌机的扫射，前往吴淞炮台慰问守军官兵，鼓舞士气。蔡特赠两打白兰地酒给第七十八师副师长谭启秀和第一五六旅旅长翁照垣，勉励说：“此酒是人民慰劳你们抗敌英勇的表示，你们不要辜负人民，应尽责任，死守阵地。”
2月11日，野村对西方记者吹嘘说：“日军在吴淞踏平华军濠沟之日，为时不远。请诸君拭目相观，届时即可结束华东之抵抗。当天下午，日寇一面出动飞机在闸北投下大量燃烧弹，同时用大炮轰击，一面向蕴藻浜、曹家桥一带进攻，并不断增援。第十九路军守军猛烈抗击，最后展开肉搏战，毙敌数百人，至晚7时，将进犯之敌全部击退。
2月13日，日军主力久留米混成师团，又突然偷袭蕴藻浜。蔡廷锴急令第六十一师师长毛维寿率预备队，迅速向大场推进增援张炎旅。蔡亲带参谋副官数人到庙行附近督战。下午5时，双方展开肉搏战。蔡见情况十分危急，即令旅长张炎亲率庞成团猛攻敌之左侧背，敌不支溃退。这一仗，久留米师团损失惨重。
野村屡战屡败，日政府改派正规军第九师团长植田谦吉接任。随植田来上海的陆军约达万余人。植田以总司令的身份，也发表了讲话，扬言要迫使第十九路军撤退。2月18日，植田谦吉给蔡廷锴一份最后通牒，提出六项条件，扬言中国军队如不在2月20日午后7时以前撤退，马上采取自由的军事行动。蔡将这份荒谬绝伦的最后通牒给蒋光鼐看，决定召开高级长官会议。指挥部立即下令前线部队集结炮火向日军阵地猛轰，作为对植田的答复。这时，有一位外国记者对蔡廷锴说，第十九路军兵员少，武器差，继续抵抗日军，好比以卵击石，并劝蔡及时撤兵。蔡却坚定地回答：“坚守国土乃军人之职责，即使日寇增至十万人，也要誓死抵抗。”他反问这位外国记者：“设日军无故攻进贵国，贵国军队亦撤退欤？”记者无言以对。
2月19日凌晨，植田派出飞机，成群结队地向上海附近的镇市村庄，第十九路军及前来增援的张治中第五军的阵地大肆轰炸。午后，敌炮兵密集向守军据点猛烈轰击。下午5时，敌陆战队向第六十、六十一师支撑点发起强攻，被守军打得抱头逃窜，退回原地。??势凶猛。蔡廷锴电告各部，采取“我军须先疏开，俟敌炮及飞机停止轰炸后，即回原阵地，但动作要迅速敏捷，伪装及散兵多多布置”的打法，使敌伤亡很大，未能前进一步。
从2月21日起，在植田亲自指挥下，日寇又向江湾、庙行等地发起数次冲击，战斗异常惨烈，但都被第十九路军和第五军挫败。
植田的军事总攻计划宣告破产后，日本政府改派前田中内阁陆军大臣白川大将接任，并加派菱刈隆为副司令官，同时增调三师兵力和飞机200架来沪增援。此时，敌兵力已达六七万人。
2月29日起，日军在白川的策划下，开始了新的总攻。蔡廷锴将敌情及时通报第五军军长张治中。日寇向闸北八字桥、天通庵等地强攻，均遭守军顽强阻击，其联队长（相当团长）林崛大佐也被击毙。
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