2月3日上午11时半，日舰3艘由上海驶至吴淞口，向吴淞炮台开炮轰击，进行挑畔，同时三夹水外日巡洋舰也开炮轰炮台，十九路军一五六旅四团还炮数十响，击沉日驱逐舰1艘，伤2艘。次日，日军倾海、陆、空三军全力猛攻吴淞炮台，日舰20多艘在江口至吴淞镇一字排开，发炮千余发，同时飞机十数架向炮台俯冲投弹，企图将炮台轰毁，然后占领吴淞。双方激战竟日，战况激烈。日舰2艘、日机1架被击沉击毁。后国军暗中分兵埋伏在吴淞附近，炮台也停止发炮。日军以为炮台被毁，遂即有日舰陆战队登陆。国军伏兵与炮台同时包围、开炮，歼灭日军千余人，并获枪弹无数。2月5日日军第二任统帅野村吉三郎抵沪后，以吴淞、江湾为战略重点。7日，调陆军士兵3000人，分水、陆二路，陆路从杨树浦方面沿军工路进犯吴淞，配有坦克、铁甲车14辆；海军除将停泊浦江中的日舰悉数调往外，还由白龙港向吴淞开出10余艘；同时出动飞机10数架，海、陆、空三方总兵力1万余人，限定24小时内占领吴淞炮台。从上午7时半到傍晚，日军发动3次进攻，双方激战未已。国军为阻击从南面进犯的日军，将蕴藻浜大桥和铁路桥全部炸断烧毁，据守北岸向南阻击。是日吴淞镇被日机轮番轰炸，全镇大火，通宵燃烧，无法救熄。8日，日海、陆、空军仍日夜轮流轰击吴淞，国军死守浜北，兀然不动，日军也无计可施。此役，吴淞面粉厂、中央大学医学院、同济大学、中国公学等均被炮火炸毁。

    12日晨起，日军接连多次在吴淞镇以西的季家桥等处猛攻，企图渡过蕴藻浜，包抄吴淞镇，国军奋起反击，予以击退。13日晨，日军1700余人藉烟幕炮掩护，在淞南季家桥搭浮桥偷渡成功。登岸后攻占曹家桥，冲破国军防线，施行猛烈袭击。国军六十一师一二二旅张炎部赶到，率队反攻，将日军三面包围，肉搏数十次，日军拼死挣扎，屡欲突围而不遂，血战至入夜10时许，渡河日军全部被歼，遗尸千具，狼藉于曹家桥浜中，国军伤亡也达百人。此役不仅使日军一举占领吴淞的企图陷于破灭，且使号称劲旅的久留米混成旅团遭受重创，一蹶不振，为开战以来第一次大血战，对国军士气的鼓舞影响极大。

    之后2月21日、26日、27日、30日，日军屡次向吴淞炮台攻击，均为守军所击退。吴淞至宝山江岸，国军十九路军一五六旅在要塞司令谭启秀、旅长翁照垣统率下，有兵力3000余人，加上铁血军400余人、上海市民义勇军100余人、总兵力不足4000人，在强大的日军攻势面前，寸土必争，誓死抵抗，使日军在吴淞登陆的企图始终未能得逞。3月1日蔡军长忍痛下令全军总退却，翁旅长死守不退，凭借炮台及吴淞镇继续顽强抗敌，日军以海、陆、空军3万余人，从四面合围，强冲猛打，遭到守军顽强抵抗。直至3日上午，经地方团体再三恳说请求，翁旅长始答应撤兵，队伍沿蕴藻浜西退。