在88师对日本坟山、八字桥、法学院、虹口公园等地进攻中，双方反复争夺，伤亡甚重，仅在法学院一处，我军就付出牺牲一营之众的巨大代价。87师259旅第7、第8连接连攻占日军海军俱乐部、日海军操场，但对沪江大学、公大纱厂、引翔港镇的攻击，苦战终日也未得手。我军炮兵射击，命中率颇高，但因没有燃烧弹，无法彻底摧毁坚固目标。日军用坚固障碍物阻塞每一通道，并用装甲车作为活动碉堡，防御部署几乎无懈可击，导致突贯攻击最后还是不得不演变成对各点目标施行强攻，原先的意图没能得到彻底贯彻，因此虽然获得了不小战果，但还是失败了。这一仗极其惨烈，双方死伤至为惨重，虹口地区终日枪炮声不绝，浓烟蔽日！
18日，中国政府接受英美法三国提出的上海作为中立区，中日双方军队撤出上海的建议，因此蒋介石命令张治中暂停攻击。但是日本拒绝了该建议，于是蒋介石于下午又下令恢复攻击。
同日，36师已从西安星夜赶来，到达上海北郊的吴家宅地区。日军也在调兵遣将，从旅顺和日本本土紧急调来2400名海军陆战队，使其在上海的总兵力增至7000人。
19日，87师261旅522团因61师接替原防，得以全团抽身而出投入对市区的攻击，该团作为87师的先锋，由北向南攻击日军杨树浦阵地，一举突入日军杨树浦防线，激战至下午17时许攻占唐山路、公平路交叉路口，前锋已攻入岳州路，并继续向百老汇路＃＃＃。36师集中两个团从杨树浦北侧南下，从522团攻占的地区出发向保定路推进。日军当晚以坦克支援步兵对87师和36师进行多次反击，均被击退。
20日凌晨1时，36师106旅继续向南攻击，于天明时分进至沙泾港、岳州路、昆明路一线，其左翼已与87师打通联系。张治中亲临江湾87师师部指挥作战，决心利用87师和36师突入杨树浦租界进至岳州路的有利态势，以主力向汇山码头突击，实现中央突破，切断日军左右两翼的联系，然后向两翼卷击。为此将刚从南京赶来的装甲团战车营的战车第1、第2连的六辆英制维克斯6吨轻型坦克配属生力军36师，以装备德制37毫米战防炮的教导营配属给87师，进一步加强其突击力。
下午，张治中下令87师协同36师向当面之敌猛攻，力求直突汇山码头。同时令88师佯攻虹口，98师警戒沙泾港以西。
36师师长宋希濂在新港开设师部，亲自指挥211团攻击沙泾港西岸之敌，215团和216团在战车第1连的配合下沿邓脱路和兆丰路向南猛攻，212团则沿舟山路攻击前进，掩护主攻方向侧翼。当夜24时36师开始主攻，作为前导的战车第1连奋勇冲杀，连破日军数道防线，但是步兵被日军密集火力所阻，未能及时跟进，结果坦克因失去步兵支援被日军击毁！后续步兵虽然失去坦克支援但依旧毫无踌躇猛攻不止。日军盘踞在道路两侧的高楼上，居高临下组
成交叉密集火网，并以坦克、装甲车掩护步兵分队实施反扑。212团在舟山路华德路口遭到密集火力拦截，伤亡惨重，106旅长陈瑞河也在战斗中身负重伤。215团的攻击也同样难以前进，第2营营长李增阵亡。部队见正面攻击无法奏效，便迂回侧后的小巷，准备从高楼后面攀窗而上，结果日军坦克突然杀出，以炮火封锁了巷口，再以燃烧弹猛轰，300多官兵葬身火海！216团前赴后继冲过百老汇路，一直攻到汇山码头大门前，但是没有随伴炮火摧毁坚固的码头大铁门，而四周日军弹如雨下，稍有迟误便有大量伤亡，团长胡家骥身先士卒攀爬铁门，官兵相继跟进，但是攻入码头的部队立即遭到日军猛烈侧射火力压制，死伤枕籍，胡家骥左右随从死伤殆尽，胡家骥也身中五弹！眼见无法巩固战果，死伤又重（216团伤亡高达570人），216团只好退回引翔港，日军乘势反击，宋希濂紧急投入师预备队工兵营才稳定战线。
21日就在第36师发动猛攻后，87师也开始攻击，战至午后先后攻占了精版印刷厂和康泰面粉厂，但是对日军在沪东最重要的据点公大纱厂却屡攻不下。
同日，另一支德式部队中央军校教导总队也从南京抵达上海江湾地区。
22日，双方依旧激战不止，但战线呈现胶着状态。
23日3时，36师经过短暂调整以3辆坦克和3个步兵营再次向汇山码头发起攻击，此次步坦协同比昨日大有进步，坦克接连摧毁日军多处阵地，步兵以血肉之躯吸引纵深日军重机枪火力，掩护坦克突入敌阵将其摧毁。战至5时，再次冲入汇山码头，并肃清码头日军。但日军停泊在黄浦江上的军舰立即以舰炮猛轰，接着百老汇路两端日军在飞机支援下从两面反扑，国军坦克全部被毁，冲入码头的官兵死伤累累，一营之众仅数十人生还！被迫退回唐山路，此次突击功败垂成！
但是几天来，国军各部的猛攻，已切断日军两翼，压迫其主力收缩至陆战队司令部和公大纱厂等几个孤立据点。杨树浦日军面对国军勇猛突击，惊恐之下竟纵火为障，百老汇路、公平路等地的大火整整烧了三天三夜！更有三批共约四五百人慌不择路逃至外白渡桥，向守卫租界的英军投降！缴械后被关押在外滩公园。
8月23日，日军后续部队第3师团在川沙登陆，直接威胁到中国军队的侧后安全。因此八一三淞沪会战期间进攻日租界的战斗就此告一段落，从此后日军从守势转为攻势，战役态势也随之逆转。进攻日租界的战斗，中国军队投入以德式师为代表的精锐主力，鏖战整整十日，史称十日围攻。付出了巨大代价，最后却功败垂成，其中原因，除了日军拥有绝对优势的海空火力支援外，我军在作战初期未能集中优势兵力（前五日实际只有第87师和第88师两个师），也是重要因素。可以设想，要是在8月14日就一举投入四个师，结局必然大不一样。此外，德式师在战斗中所采取的闪击战术，比较适用于宽正面大纵深的野战战场，而不是高大坚固建筑物林立的狭窄市区。而且德式师在攻击坚固建筑为依托的市区时，火力薄弱的致命缺陷一展无遗（虽有装备150毫米的重榴弹炮，但是因为市区里缺乏有利的放列阵地只能部署在市郊的大场，因距离较命中精度太差，又没有使用燃烧弹，效果可想而知！），更令人不解的是，德式师居然没有想到使用爆破战术（国共战争期间，解放军攻克坚固设防的城市主要就是依靠爆破战术！），实在令人难以相信！