9月1日，日军第68联队一边扫荡吴淞镇内，一边继续扩大战果。国军方面以另一支精锐“调整师”第6师反攻吴淞镇、吴淞炮台。第6师虽为中央军的精锐部队，但它和第67师、第14师一样仅有轻武器，没有重武器。为了弥补火力上的差距，第6师出发时配属了教导总队炮兵营第2连的4门山炮。虽得到了山炮4门，但与日军比起来仍差距巨大。
伤亡惨重、士气低落的日军精锐师团
进攻吴淞镇、吴淞炮台的第68联队只有2个大队2000余人，但自身就有4门75毫米山炮、4门37毫米速射炮、4门70毫米步兵炮。并配属野战炮兵第3联队第1、2、10、11中队（8门75毫米野战炮、8门105毫米榴弹炮），同时还有海军航空兵、军舰舰炮的支援。兵力不如第6师多，但火力上是第6师的几十倍以上。面对日军强大的火力，第6师官兵拼死反击日本侵略军，日军第68联队很快就陷入苦战。
日方档案《步兵第六十八联队第一大队吴淞镇、吴淞炮台和宝山城战斗详报》写道：“第4中队在敌的猛烈火力下，攻击无进展，大队长大声叱咤，仍很迟缓。大队本部至靠近第2中队的东部谢家滨，在孙家庄南方村落附近的敌自动武器逞猛威，我处于猛烈火力下，立即以机枪主力、大队炮及速射炮压制之，敌有掩盖，伪装巧妙，捕捉困难，越来越猖獗，预备队的前进也很困难，大队本部几乎陷于孤立...”
负责协助第68联队作战的第43联队（欠1个大队）进过一番激战攻下了狮子林炮台，但在随后的战斗中遭到中国军队的重创，两个大队长一死一伤，携带的炮弹也消耗殆尽，如果不及时得到补充，第43联队将无法继续进攻。另一边的第68联队在强大炮火支援下，才彻底占领了吴淞镇，并向宝山进军。
连日激战，第68联队伤亡巨大，根本无力进攻宝山。第3师团长藤田进要求部队对宝山县内中国守军进行劝降。对于这种消极的做法，松井石根十分气愤。
在9月3日和5日的日记中，松井石根写道：“今天第三师团还是向我汇报了明天继续散发劝降传单的打算，我觉得这是有损于我派遣军威信的做法，便予以否定......总之今天（5日）的战况，由于第三师团的消极态度，拖延了天谷支队的进攻行动。”
经过一番苦战，日军于9月6日占领了宝山县城，但第3师团、第11师团都损失不少兵力，加上第3师团士气低落。日本参谋本部急忙从华北抽调后备步兵10个大队、炮兵4个中队、独立野战炮兵联队1个前往上海。台湾的日军守备队也以2个联队、2个炮兵中队组建一个支队由守备队长重藤千秋少将指挥加入上海派遣军序列。
虽然得到16个步兵大队的兵力，日军在上海的作战仍然没有突破性的进展。不仅如此，各个联队、大队伤亡急剧增加。以第44联队为例，截止10月10日该联队战死543人、战伤1186人、总计死伤1729人。算上补充进来的士兵，第44联队只剩2058人。
由于一线各联队损失巨大，靠着仅有的战力根本无法击溃中国军队。为此，松井石根要求国内至少再派遣3个师团以及一批炮兵、战车部队，才能保证击溃中国军队并占领上海、攻下南京城。
国军与日军巨大的火力差距
9月10日，日本参谋本部下达了第9师团、第13师团、第101师团的动员令，9月22日—10月1日，这3个师团陆续在上海登陆完毕。为了加强上海派遣军的进攻能力，参谋本部还从日本国内、华北方面军抽调了1个150毫米榴弹炮旅团、2个150毫米加农炮大队、1个240毫米重型榴弹炮大队加强给上海派遣军。除了陆军外，日本海军也增派了大批航空兵协助陆军作战。
得到补充的上海派遣军总兵力猛增至20余万人，并直属了一批重炮兵联队、大队。（火炮数量表如下）
日军上海派遣军直属重炮兵部队统计表
上海的中国军队全部的直属炮兵团只有48门75毫米山炮、36门77毫米野战炮、8门德造150毫米榴弹炮、8门辽十四150毫米榴弹炮。与日军对比，中国军队直属炮兵团重炮只有可怜的16门，其余都是75毫米、77毫米中型火炮，而且数量也远远不如日军多，更重要的是炮弹方面日军是中国军队的十几倍。