9月6日，眼看海岸阵地相继失守，"南京方面"只能无奈对各参战部队发布了《第三战区第二期作战计划》。要求中方各参战部队，如若不能阻止日军登陆，则依次后退于敌舰射程外之既得陆地，施行顽强抵抗，待后方部队到达，再行决战而取最后胜利。
中方部队依次后撤到日军舰炮射程之外，留下的几支军队又经过数天苦战，多次试图再度夺取日军登陆阵地无果后，最终在9月15日宣告放弃，全部撤退到敌军舰炮火力之外构筑工事，继续与日军对峙作战。"淞沪会战"由此进入第三阶段的堑壕相持作战阶段，随着淞沪会战第三阶段的开始，战场的主动权也被日军所夺去，中方逐渐陷入被动境地。"南京方面"也意识到了这一点，为了扭转被动局面，"南京方面"继续调兵遣将，抽调大批军队火速增援淞沪战场。据后来的相关统计，抗日统一战线形成后，约有一百八十个师的部队声称，服从"南京方面"军事委员会指挥，而受到"南京方面"调遣参加"淞沪会战"的各支部队就高达七十三个师团。
在"南京方面"调兵遣将的同时，日本方面也同样以极大的动员能力，不断往淞沪战场输送援军和军事物资。据统计，到9月下旬，日军往淞沪战场所投入的兵力已经将近二十万人，以及大量的海军战舰和空军战机，且日本还在继续抽调援军前来淞沪战场。
"淞沪会战"第三阶段持续了一个多月，在这期间，中方各部队之间摒弃前嫌、联手抗战，以巨大的牺牲精神对日军造成了巨大伤亡，尽管根据《第三战区第二期作战计划》，"南京方面"允许各参战部队可以撤退到日军舰炮火力之外，对日军进行阻击作战，但是仍有不少军队为了尽量拖延日军攻势，打击日军的嚣张气焰，自告奋勇，将自己的堑壕阵地修筑在了日军舰炮火力覆盖之下，甚至于就连蒋公最信任的嫡系将领张治中也是这么做的，为此，张治中还和蒋公产生了一些作战分歧。
在两军相持阶段，日军率先在9月22日对中方驻守的罗店左翼军阵地发起了大规模进攻，负责驻守这个阵地的粤军的两个师经过两个昼夜的苦战，最终，还是没能挡住日军的凌厉攻势，两个师打到全军覆没，左翼其他部队继续转入第二线防御阵地阻击日军。接着，在此后的将近四十天时间里，哪怕日军的炮火再猛烈，也只向前推进了不到五公里。
但同时，中方部队的牺牲更大，很多部队都打到伤亡过半，编制都已无法维系。10月28日，在日军的再度猛攻之下，第三战区为了避免更大牺牲，这才下令部队再次后撤至苏州河西岸一带的防御阵地建立新防线，10月下旬，日本秘密抽调三个师团、六个独立部队，组建了总兵力高达十二万人的第十军，从海上乘坐军舰前来增援淞沪战场。
"南京方面"得到消息后，最开始认为随着日本大批援军赶到，中方已经很难在淞沪战场继续阻击日军，于是就向各部队下达了撤退命令，这"淞沪会战"由此进入了第四阶段。