进入10月以来，日军对广福镇以南、蕰藻浜一线的进攻日益猛烈。
日本上海派遣军司令官松井石根大将集中了三个师团，配置大炮一百多门、装甲车一百多辆，还有海军航空兵火力支援，猛烈攻击中国军队蕰藻浜防线，毫不掩饰自己直取大场、南翔的战略图谋。10月5日到8日，日军集中第3师团、第9师团，在飞机、坦克、大炮的火力支援下，先后攻占国军第8师据守的蒋宅阵地和第16师据守的顿悟寺阵地，突破蕰藻浜防线，渡过蕰藻浜，继续向墙门头、桥亭宅进犯，我第8、第16师与敌反复争夺，多次逆袭，终因伤亡重大，敌众我寡，形势危急。后因第1军及税警总团及时赶到，便协同第16师及在蕰藻浜北岸的第57师，合力反击，一举收复了顿悟寺。迫使南渡蕴藻浜的日军停止在墙门头、姚家弄、严宅之线。另一股日军又从唐桥站渡过蕴藻浜，攻击第61师左侧背，经第36师108旅支援，将日军击退，与日军在黑大黄宅、严宅一线对峙。与此同时，日军对中国军队据守的蕴藻浜北岸唐家桥、新陆宅、广福、费家宅一带的第19集团军所属第9师、第57师、第13师阵地，持续猛攻，国军阵地大多被炮火摧毁，伤亡重大，多处阵地几经易手，最终还是将来犯日军击退。
日军见久攻不下，便派出军机在国军防线后方投毒，导致第9师大量官兵饮水食物中毒，所幸的是发现和抢救及时，日军阴谋并未得逞。
10月上旬和中旬，整个淞沪战场的焦点都集中在蕴藻浜一线。
在蕴藻浜一线，日军进攻受阻，便持续向上海派兵增援。10月16日，日军常备师团第8师团分别乘坐南山丸、华山丸、金城丸到达上海，在招商北栈及吴淞等处登陆，登陆人数在一个旅团上下，还有余部又于次日全部到达。同样是在这一天的凌晨，日军常备第14师团沫松部援军4700人乘坐运输舰面由丸、青海丸停泊江山码头，登陆参与杨行方面作战，当日晚间十时，日本关东军村野部5000多人乘坐日本邮轮波洋丸从天津抵达上海，投入到引翔乡方面战场。日军援军来势汹汹，上海战局形势堪忧。
日军增援情况，都被国军情报人员获悉并上报。除了以上情报之外，中国情报部门还获悉日本方面以下情报：日本陆军省现以九国公约签字国定于本月三十日在比利时布鲁塞尔开会，已限令上海作战部队在开会前攻克闸北、南翔、嘉定一带，并驱出浦东华军，以在大会席上挽回国际信誉。此外，日方已改变战略，企图在浏河、杨林、白苑一带猛力突破我军防线，大致在21日左右实行第五次总攻。
就在上海方面获悉和上报日军情报的同时，日方在上海招待外国记者，诬陷中国军队使用毒气瓦斯。部分外国记者根据日本方面的说辞分析推测，如果九国公约出现不利于日本方面的决议时，日本军方将在上海战场大规模使用毒气瓦斯。
在此期间，各个渠道的情报都汇集到第3战区，第3战区对当前局势已经有了一个相对准确的判断：日本上海派遣军司令官松井石根，为贯彻迅速夺取上海心脏地带----大场镇、南翔镇的决心，日军仅以一部在黄浦江左岸及庙行至江湾之线与中央军保持接触和牵制；另以有力之一部在流浏河镇、施相公庙、广福至陈家行之线与左翼军相峙；而以其主力兵团突破我蕴藻浜南岸阵地后，仍在不断地增调兵力，持续向大场、南翔之间猛烈进攻。
第3战区的分析判断无疑是正确的。但令人遗憾的是，第3战区并没有针对日军主要进攻方面采取有效的应对之策，而是将中央和左翼两个作战军全部兵力41个步兵师，按照线性防守，配置在浏河口、界泾河、蕴藻浜以及庙行、江湾、上海北站一线六七十公里的防线上，让本已捉襟见肘的兵力变得更加分散，难以形成有力的拳头进行反击。
而与此同时，日军的战术似乎并不高明，而是迎着国军的防线，你哪里防守坚固，我偏偏要用炮火摧毁你的堡垒，集中兵力攻击你的堡垒。正是因为日军平推硬打的这种并不算高明的战术，才给国军创造了战场回旋和时间拖延的余地。
即使是日军平推硬打的战术比较僵硬，但是面对日军强大的海陆空一体化火力打击，面对日军精锐常备师团的波次进攻，国军构筑的防线也如一条新筑的大堤，多次出现了“溃堤”。
10月8日，日军在大批援军到来后，第9师团突破蕰藻浜南北两岸部分守国阵地。
10月12日下午四时，日军飞机机群轰炸大场镇北面蕰藻浜南岸国军第19师阵地，之后，日军又集中舰炮、地面炮兵火力实施持续火力打击。中国守军遭受重大伤亡，但仍然坚持顽强抵抗，日军每前进一步都极其艰难。在这种情况下，日军被近采取土工坑道作业的方法，挖掘壕沟一米一米向前推进。因为日军占据制空权，中、远程火炮可以持续炮击，可以连续不断修正射击修正量，火炮射击精度不断增强，破坏射击毁伤效果越来越明显。持续有效的火力支援下，日军一个加强中队200多人的日军敢死队突破第19师局部防线，造成全师防线整体向后溃退。受到第19师防线崩溃的影响，相邻阵地上的税警团因侧翼暴露也不得不也随之后退。
由于进入十月连日阴雨，第19师、税警团的步兵溃退相对容易，在防线后方的税警团炮兵营和炮二团炮兵营就苦不堪言。面临突然而至的溃退，面临气势汹汹的追兵，这两个炮兵营甚至连收炮转移阵地的时间都没有，仓促之中为了不让火炮资敌，只有卸下火炮炮闩弃炮跟着溃退。这两支部队整体溃退产生了连锁反应，在他们左右两翼的部队第6师、第87师也跟着溃退，数千人的大军集中在真大公路，撤退秩序一片混乱，部队失去了有序控制，因为道路堵塞，不少人直接从道路两侧的棉花地中溃逃，直到退到距离大场镇一二里路才沿真大公路放缓了后退的步伐。
当天晚上，第三战区中央作战军总司令朱绍良亲自赶赴大场镇镇压，指令第18师104团在镇外架起了机枪扫射警告，才止住了这几支部队后退的脚步。经过朱绍良亲自指挥，部队连夜反扑，最终恢复了原来的阵地。令人庆幸的是，因为来犯日军数量着实有限，税警团炮兵营和炮二团炮兵营的火炮既没有被日军用来炮击国军，也没有被日军带着撤退和炸毁，仍然保持原来模样留在了原地，让这两支炮兵部队失而复得，一个个士兵抚摸着心爱的火炮百感交集，不禁泪流满面。
这次国军防线的溃退，是整个淞沪战场继第61师溃败后第一次较大规模的溃退，溃退的队伍甚至包含中央军精锐德式师第87师、宋子文税警团。可以这么说，这些国军精锐一样因为长时间战斗，没有得到应有的休整，早已是强弩末矢。当然，这次溃退并非偶然，国军庞大的队伍，前线粮草、弹药保障数量同样庞大，随着投入部队越多，那条单一而单薄的补给线早已难以为继，前线官兵缺吃少穿，弹药补给时常难以为继，战斗力也随着时间的推移不断下降，不少一线将士的体力和意志早已临近崩溃的边缘，后退是国军迟早都要不得不面临的残酷现实。
而对兵强马壮的日军来讲，为什么弱小的中国军队坚持如此之久，为什么中国军队迟迟没有败退，这才是令日军上下震惊和胆寒的事情。
第二天，这次淞沪防线局部的溃退，被军统巡察队上报军统负责人戴笠，并密电直报南京蒋委员长。但是，从军统向上呈报这次溃退的真实报告并没有真正引起国军统帅部的重视，并没有透过这次溃败来认真衡量国军真实实力，没有认真评估部队坚持的时间底线。