谭启秀把守炮台的部队全部撤进河岔边的树林里。冬天河边的柳树林都光秃秃的缺乏隐蔽性，但河岔岸边的芦苇荡却很茂密，叶子虽桔黄，苇杆却是密密层层，且能看清黄浦江里与海面上军舰的活动情况。十几艘日军舰集中火力向炮台开炮轰击，当即吴淞炮台陷入一片火海。邓振铨皱着眉说：“看来炮台保不住了！”谭启秀认为炮台是人工修建起来，炸塌了再建就是。当硝烟散去，炮台的确被炸塌来了好几处，幸亏炮台上的大炮早被藏了起来。炮轰过后，大家以为日本军舰上的士兵要登陆了，翁照垣指挥的部队正在芦苇荡随时准备突击，但令人失望的是日舰似乎没有要靠岸登陆的想法，十三艘舰只像一片片树叶一样漂荡在黄浦江的寒风激浪中。翁照垣有点发急地说：“这些日本鬼子打过炮台之后不行动，他们想躺在水里睡大觉了？”大家都不做声，静观海面情况。不一会儿，东海那边从乌云里窜出两架飞机，邓振铨惊呼起来：日本人嫌大炮打得不过瘾，又把飞机搞来扔炸弹了........话音未落，两架飞机飞临上空，当大家都警惕地望着，可千万别扔燃烧弹呀。燃烧弹要是把芦苇烧着了，那可不是开玩笑的。不过大家担心的事没有发生，飞机像拉磨的驴一样不断哼哼唧唧在头顶打转转。翁照垣对谭启秀说：“这两架飞机飞得这么低，把他打掉怎么样？”谭启秀说：“眼光放长远点，我们要的不是飞机。”这时飞机像发现了什么似的，向炮台及周围疯狂扫射。盲目的子弹也射进了芦苇荡，有些士兵还负伤了，要不是谭启秀一再压制大家的冲动，士兵们早开火了。不到十分钟两架飞机大摇大摆的又向它来的方向飞了回去，大地一时寂静下来，大家松了一口气。这时发现原先漂浮在江面上的日本军舰开始向吴淞炮台快速挺近，谭启秀对翁照垣说：“命令部队向吴淞炮台方向移动，日本人要登岸了！”
日本军舰纷纷靠岸，两千多日海军陆战队员在盐沼恕的率领下向吴淞狮子山炮台呈扇形散开。他们见炮台被炸得支离破碎，一片狼藉，个个指指点点，脸上露出嘲讽的笑容。笑容还未散去从芦苇荡里，树林里四面八方射来枪炮让他们胆战心惊，一些日军还没弄清怎么回事就倒下了。盐沼恕没有料到这些经过几轮炮轰的地方竟然还有埋伏。因为炮火很猛烈，日军又集中且无准备，伤亡极其惨重，盐沼恕指挥日军就地隐蔽作战。但谭启秀、翁照垣没有给日军反击的机会，一声号令，埋伏于炮台周围的一五六旅的士兵闻令四起，向惊魂未定的日军发起了冲锋，伏地作战的日军非常被动，面对浪潮般涌来的中国军队几乎难以招架。一五六旅的将士一边端着机枪扫射，一边猛冲，给日敌以致命的打击。盐沼恕知道无法组织有效抵抗，便指挥日军向江边撤退，翁照垣率部队追击，日军丢下一路尸体奔逃。日舰见登陆的日军遭伏击，丹下便下令炮击追兵，将日军的残兵败将接回军舰，并开足马力向深海逃窜，翁照垣追到江边望着远去的日本军舰，架上大炮轰击，直到炮弹打不着才带兵回营。这一仗日舰海军陆战队损失一千余人。
日本人的另一个主攻点是江湾战场，这场战役日军不仅痛遭惨败，而且在世人面前很丢尽脸。二月二日国联行政会在日内瓦召开会议，应法国外长主席泰狄欧之意讨论上海事件。会上中国代表陈述外长罗文干给国联的电文，说中国只是自卫，而日本则是武装侵略；日本代表则说日军只是保护侨民，同意休战，但中国军队破坏停战。双方互相指责，国联秘书长德鲁蒙提议组织一个沪案调查团赴上海调查。日本人并不把国联调查团放在眼里，当国联调查团来到上海，他们也毫不收敛地发动军事进攻，日本人认为欧洲人在世界各地搞军事侵略的事例太多了，他们无权来对日本人说三道四。
二月五日，国联调查团到江湾前线视察。
其时日军以大批野炮及机枪向我军阵地猛攻，仿佛也要让西方人看看大日本帝国的威风。中国军队并不示弱，以牙还牙，但实力悬殊，没多久中国军队的防线就被摧毁了。这让日军指挥官很是得意，认为这一仗在欧美军事专家面前露脸了。但他没想到中国军队炮火防线虽受压制，战士们却没后退。这不仅让国联调查团的军事专家很担心，也使日军事指挥官感到疑惑。中国军队已完全暴露在日军的强大火力之下，日军正想以更密集的炮火对我军进行歼灭，不料中国军队千百人一声呐喊，迎着日军的猛烈炮火冲锋，虽不断有人倒下，但他们把生死置之度外，前仆后继，势如潮涌，冲进了日寇阵地，日军顿时大乱，纷纷丢枪弃炮四散奔逃。中国军队不但占领了日军阵地，同时还缴获日军机枪十七挺，野炮七门，步枪子弹无数。国联调查团的军事专家们见中国军队如此神勇，无不张口咂舌，盛赞中国军队英勇牺牲的爱国精神。
在几天的战斗中，十九路军虽然连战连胜，但牺牲消耗也很大。奇怪的是，日本国土远离上海却能源源不断的为在上海作战的日军进行增援，而近在咫尺的南京国民政府却不见调兵增援，十九路军一直孤军苦战，这引起许多朝野人士的不满。广东的中委们质问军政部参谋次长黄慕松为什么不调兵援沪，黄慕松说：“政府的决策是沪战在外交上应视为局部问题，不宜扩大。”全国各地军队激于爱国义愤，纷纷请缨参战，军政部何应钦却发电警告：各军抗日请求，非得军政部之命而擅自开拔者，虽意出爱国，仍须受抗命处分。但南京政府的压制反而激起更多的人的不满，在上海的孙科、李宗仁等联名请电增援，说上海的战事绝非局部问题，时机危迫不容延缓，请速调劲旅来沪增援；陈铭枢甚至向国府呈辞，说要将交通部长和行政院副院长之职辞去，去上海领导十九路军抗日；各路军队将领也纷纷响应孙科的请援电；上海地方维持会连电汪、蒋，为十九路军乞援。
迫于朝野的压力，何应钦复电孙科：对日侵略，关于沿海各省警备，定有全盘计划，上海增援已指派XXX师统筹全局，兼顾各方，对上海尤为重视关切，请转达诸公为荷，至派遣飞机亦已准备，一俟妥当，即可施行也。
二月五日，军政部果真派来第六大队、第七大队两个大队的空军。空军将士斗志高昂，以黄秉衡、张有谷等为代表的空军将士向全国通电，表示要与日寇决一死战。通电云：东北事变，数月于兹。三省之失地未收，淞沪之惨暴继演，公理沦胥，举世愤慨。我空军系国民属望之殷，将士抱敌忾同仇之切，为国死难，夙具决心，磨砺枕戈，匪伊朝夕，只以政府负重，冀望和平，以致忍辱牵延，求死不得。兹者领空领土，横被摧残，寇焰益张，国亡无日。海枯石烂，此志不渝，凡我国人，幸垂鉴察。
空军将士可谓气冲霄汉，正好当天就有九架日机飞临南翔上空，在闸北地区到处投弹又窜入真茹，企图轰炸十九路军指挥部。当日机在真茹车站及暨南大学等地狂轰滥炸时，中国空军立即起飞迎战，翱空激战，初战告捷，击落一架日机，另有两架日机负伤，其余窜逃。我空军首次空战就击落击伤日机三架，地上观战的将士无不拍手称快，欢呼雀跃。击落的飞机坠落在真茹车站附近，坠落时响声震天，烈焰升空。机上三个日本飞行员脑浆迸裂，其中一个身上的证件还写着：日海军大尉矢野让五郎。飞机上有手枪三支，机枪两挺，机头残片上有“三菱航空机株式会社修理昭和六年七月十八日的文字标记。
中国空军在上海抗日首战告捷，但奇怪的是此后却不再见有参战的记录。
盐泽幸一在上海战场上，无论是陆战还是海战空战都一败涂地。引发了日本的国内动荡，犬养内阁受到威胁，犬养内阁原本就迫于军人势力而起用陆军大将荒木贞夫为陆相，但荒木贞夫并不因为当了内阁陆军大臣而顺从政府，他与真崎甚三郎结为皇道派，主张用铁血手段夺取政权成立军人政府。上海战争的失利，荒木暗地里伺机枪杀犬养，他认为犬养实在无能。
犬养迫于荒木等军人势力的压力，召见海相大角岑生，要他对上海战争寻找解决办法。荒木不仅对犬养施加压力，对海相大角也同样施压，虽然他们对上海战事有同同样的观点，即用武力控制上海，但海军屡战屡败。荒木主张启用陆军少将植田谦吉指挥上海战争，大角不愿这样灰头土脸罢手以损海军声威，他反对起用植田，但上海战事一战再战都告败，使大角对盐泽的指挥能力失去信心。他一方面改组海军参谋部，以福岛亲王为海军参谋长，以代谷口、高桥海军中将为副参谋长。被召回国受职的海军第三舰队司令野村吉三郎取代盐泽幸一指挥上海战争，盐泽仍任日海军遣外第一舰队司令，继续留沪协助野村指挥。野村受职后便乘海军旗舰带着援军于二月四日自日本军港横须贺出发赴沪。