驻沪日军得知日本政府出兵上海扩大战事的消息后，决定不待援兵到达，先行发起攻击。8月13日，日军以租界为依托，由第三舰队司令长谷川清指挥，沿北四川路、军工路一线发起进攻，并以海军舰炮猛烈轰击上海市区。面对日军的进攻，中国军队奋起抗击，淞沪会战开始。淞沪会战历时3个多月，中日双方共投入军队百万余人。日本方面先后投入的总兵力约30万人，动用大炮300余门，战车200余辆，飞机200余架，军舰80余艘，由陆军大将松井石根指挥。中国军队投入兵力约70万人，分左、中、右三翼进行抵抗，分由陈诚、张治中（后为朱绍良）、张发奎指挥；动用飞机250架，舰艇40余艘；战事之初，由京沪警备司令张治中任淞沪前线总指挥；8月21日，蒋介石以大元帅身份亲兼第三战区司令长官，顾祝同为副司令长官，陈诚为前敌总指挥，指挥上海战场中国军队作战。淞沪会战分三个阶段进行：第一阶段从8月13日至22日，中国军队采取攻势作战。8月14日，张治中令第八十七、八十八师在杨树浦至闸北、虹口公园一带，向日军展开全面反击，占领沪江大学、持志大学、宝山桥等地，15日日军开始败退，16日败退至虹口海军陆战队司令部，双方形成对峙。8月21日，中国军队从闸北、沪东分两路向北四川路日军司令部和汇山码头日军实施攻击作战，一举攻占汇山码头。但日军利用强固工事顽抗，中国军队未能扩大战果，反而损失惨重。中国空军集中轰炸淞沪地区的日军军事目标，炸毁日军大批营房和仓库。在杭州附近笕桥的3天空战中，取得击落日军飞机44架的骄人战绩。
第二阶段，从8月23日至10月25日，日军由守势变为攻势，中国军队实行防御作战。8月23日，松井石根率援军第一、第三师团全部及第十三、第十六师团一部在吴淞和川沙登陆，向宝山、罗店等地进攻，主战场由闸北、虹口转移到吴淞、张华浜一带。日军登陆后，适陈诚率第十五集团军4个师到达，仓促抵御，死伤惨重。9月5日，日军攻占宝…9月中旬以后，日本援军陆续到达。中日双方在北站、杨行、浏河一线进行激烈的争夺战。9月30日，日军发动全线进攻，中国军队以大场镇为中心，在蕴藻浜两岸与日军展开殊死搏斗。10月，日军决定将主要作战方向移至上海，并调华北兵力助战。10月22日，日军发动新的攻势，中国军队退守大场。25日，日军攻陷大场，中国军队退守苏州河南岸。至此，日军已撕破中国军队的中央防线。
第三阶段，从10月26日至11月12日，中国军队全线溃退。10月26日，日军强渡苏州河。驻守苏州河北岸四行仓库的八百壮士，为掩护主力撤退，孤军苦战四昼夜后才奉命撤离。中国军队坚守苏州河防线，与日军激战至11月初。为尽快占领上海，11月5日，新组建的日军第十军在杭州湾北岸登陆，迂回上海侧背，中国急调军队阻击，但未获成功，上海战局急转直下。与此同时，日军也已突破苏州河防线，向上海市区进攻。中国军队面临日军三面夹击，随时有被包围全歼的危险。在此情况下，蒋介石于11月9日下令上海守军分两路向杭州、南京全线撤退。11月12日，日军攻占上海，淞沪会战结束。
淞沪会战历时3个多月，是抗战爆发以来持续时间最长、规模最大的一次战役。是役，日军死伤5万余人，中国军队伤亡25万余人。淞沪会战虽然最后以中国失利而告结束，但粉碎了日本侵略者3个月灭亡中国的迷梦，沉重打击了日本帝国主义；鼓舞了全国人民抗日的士气，推动了全国规模抗战的开展，也为沿海工厂内迁、南京军政机关的内迁赢得了宝贵的时间。
中国划分战区
为便于统一指挥，国民政府军事委员会于1937年8月20日划分了对日作战的战区。
第一战区，作战区域为河北、鲁北地区，旋改为平汉线北段。司令长官蒋介石兼，实际由副司令长官刘峙指挥。下辖第一、第二、第十四集团军，分由宋哲元、刘峙、卫立煌任总司令。作战任务为：迫近当面之敌，以吸引其主力，配合第二、第三战区战略展开。1939年1月起由卫立煌接任司令长官，作战区域为河南及安徽一部。1942年1月蒋鼎文接任司令长官；1944年5月，陕西划人该战区，陈诚为司令长官。抗战胜利后，第一战区负责接受洛阳、新乡、郑州地区日军投降。
第二战区，作战区域为晋、察、绥三省，司令长官阎锡山，下辖第六、第七、第十八集团军及预备军，分由杨爱源、刘汝明、朱德、阎锡山任总司令。作战任务为：打破日军包围，牵制日军对第一战区实施正面攻击，并牵制热河以东日军。1938年1月起，作战区域改为山西及陕西一部。抗战胜利后，第二战区负责接受山西日军的投降。
第三战区，作战区域为苏南和浙江地区，旋增列福建。司令长官冯玉祥。下辖第八、第九、第十、第十五、第十九集团军，分由张发奎、张治中、刘建绪、陈诚、薛岳任总司令。作战任务主要是击退入侵淞沪之敌。新四军成立后也归该战区建制。1938年1月由顾祝同任司令长官。1938年11月南岳军事会议将其作战区域调整为苏南、皖南、浙闽地区。抗战胜利后，第三战区负责接受杭州、厦门地区日军投降。
第四战区，作战区域为闽粤两省，司令长官何应钦。下辖第四、第十二集团军，分由蒋鼎文、余汉谋任总司令。作战任务：充分准备参加第二期作战。1939年春张发奎继任司令长官。1940年8月作战区域改为广西全境及广东南部。1944年冬中国陆军总司令部成立后，该战区改组为第二方面军，张发奎任司令长官。抗战胜利后，第四战区负责接受广州、雷州半岛、海南岛日军投降。
第五战区，作战区域为鲁南苏北，司令长官蒋介石兼，后由李宗仁继任。下辖第三、第五集团军，分由韩复榘、顾祝同任总司令。作战任务：确保南北战场作战联系之中枢。1938年1月作战区域改为津浦线方面，1938年11月南岳军事会议调整为豫南、皖北、鄂北地区。1945年2月刘峙继任司令长官。抗战胜利后，第五战区负责接受郾城、商丘、许昌地区日军投降。
除建立5个战区外，另将西南各省部队编成4路预备军：第一预备军区广东，司令长官李宗仁；第二预备军区四川，司令长官刘湘；第三预备军区滇黔，司令长官龙云；第四预备军区平汉路南段粤汉路，司令长官何成浚。
随着战争的开展，国民政府又建立了第六至第十二战区。
第六战区，1937年9月建立，作战区域为津浦路北段，冯玉祥、陈诚先后任司令长官，旋即撤销。1939年10月恢复建制。翌年4月再次撤销，6月再度恢复，作战区域为鄂西、鄂南、湘西、川东地区，陈诚、商震、孙连仲、孙蔚如先后出任司令长官。抗战胜利后，第六战区负责接受汉口地区日军投降。
第七战区，1937年11月建立，作战区域为长江下游，并负责卫戍南京，司令长官刘湘，1938年春撤销。1940年8月重新设置，作战区域为广东韶关至广州以北200公里范围内，司令长官余汉谋。抗战胜利后，第七战区负责接受汕头地区日军投降。
第八战区，1938年1月建立，作战区域为甘肃、宁夏、青海，司令长官蒋介石兼，副司令长官朱绍良负实际责任。1938年11月南岳军事会议调整作战区域为甘肃、宁夏、青海及绥远一部，朱绍良任司令长官。
第九战区，1938年6月建立，司令长官陈诚。1938年11月南岳军事会议调整作战区域为湖南全省及鄂南、赣北地区。抗战胜利后，负责接受九江、南昌地区日军投降。
第十战区，1939年2月正式建立，司令长官蒋鼎文，作战区域在陕西，主要担任巩固黄河防线任务。1940年4月战区撤销。1944年5月重新建置，作战区域为平汉路以东、黄河以南、长江以北地区，司令长官李品仙。抗战胜利后，负责接受徐州、蚌埠、安庆地区日军投降。
第十一战区，1945年7月建立，作战地区为河北，司令长官孙连仲。抗战结束时负责接受平津地区和青岛、济南地区日军投降。
第十二战区，1945年7月建立，作战区域为绥远、察哈尔两省。抗战胜利后，第十二战区负责接受绥远地区日军投降。
国民政府划分全国战区，明确了各作战集团的作战职责，动员了全国军队。但有些战区的设置，完全是为了争夺抗战胜利果实，例如第十一、第十二战区，就是为了争夺华北地区受降区域而设立的。
中苏签订互不侵犯条约
抗日战争爆发后，苏联从道义上和物质上给予中国抗战以很大支援。苏联《真理报》等舆论阵地不断谴责日本帝国主义的侵略行径，声援中国人民的抗日战争。苏联外交人民委员李维诺夫也表示使中苏关系密切。1937年7月19日，陈立夫受蒋介石委托，协助外交部长王宠惠与苏联驻华大使鲍格莫洛夫进行谈判。陈立夫向鲍格莫洛夫正式提出，中国愿随时与苏联签署互助条约。经过双方的谈判协商，8月21日，王宠惠与鲍格莫洛夫分别代表两国政府在南京签署了《中苏互不侵犯条约》。
条约共4条。双方声明，中苏两国为维护和平，巩固两国问现有的友好关系，并贯彻1928年8月27日在巴黎签订的非战公约，特此签订此条约。条约重申，中苏两国斥责以战争为解决国际纠纷之方法，并否认在两国相互关系间以战争为施行国家政策之工具，并依照此项诺言，双方约定不得单独或联合其他国家，侵略一方。倘两缔约国之一方受一个或数个第三国侵略时，彼缔约国约定，在冲突全部期间内，对于该第三国不得直接或间接予以任何协助，并不得为任何行动，或签订任何协定，致使该侵略国得用以施行不利于受侵略之缔约国。本条约之条款，不得解释为对于在本条约生效以前，两缔约国已经签订之任何双边或多边条约对于两缔约国所发生之权利与义务有任何影响或变更。条约自签字之日起生效，有效期为5年，两缔约国之一方在期满前6个月应向对方通知废止该条约之意，若双方未如期通知，该条约则在第一次期满后自动延长两年，若于两年期满前6个月双方仍未通知对方废止该条约，则该条约再延长两年，以此类推。
8月29日，《中苏互不侵犯条约》全文在莫斯科和南京正式公布。《中苏互不侵犯条约》的签订，对于改善中苏关系，孤立日本，有着积极意义。法国《巴黎时报》高度评价该条约是插入日本蛮牛颈项中的第一副火箭。
洛川会议
为正确贯彻执行党的抗日民族统一战线政策，制定党在抗战时期战胜日寇的纲领、方针和具体政策，中共中央政治局于1937年8月22日至25日，在陕北洛川冯家村召开扩大会议。中央政治局委员毛泽东、张闻天、周恩来、朱德、任弼时、秦邦宪、关向应、凯丰、张国焘及有关方面负责人彭德怀、刘伯承、贺龙、张浩、林彪、聂荣臻、罗瑞卿、张文彬、萧劲光、林伯渠、徐向前、周建屏、傅钟、周昆等23人出席了会议。会上，毛泽东代表中央政治局作军事问题和国共两党关系问题的报告，提出八路军的主要作战地区是晋察冀三省；主要任务是建立根据地，消灭敌人，配合友军作战；战略方针是独立自主的山地游击战。要坚持、巩固和扩大统一战线，同时要保持共产党的阶级独立性和警觉性。接着，朱德、林伯渠、任弼时、彭德怀、刘伯承、周恩来等人先后作了讨论发言。尔后，毛泽东作了会议总结。
会议通过了《关于目前形势与党的任务的决定》。会议分析了抗战爆发后的政治形势，认为卢沟桥抗战已成了中国全国性抗战的开始，中国已进入实行抗战的新阶段。在新形势下，共产党和国民党的争论，已经不是应否抗战的问题，而是如何争取胜利的问题。新阶段的中心任务是动员一切力量争取抗战的胜利。会议预见了国民党妥协投降的危险，明确指出在今后的抗战过程中，可能发生许多挫败、退却，内部的分化、叛变，暂时和局部的妥协等不利的情况，因此，争取抗战胜利的中心关键，在使已发动的抗战发展为全面的全民族的抗战。会议分析了国民党片面抗战路线，指出它包含着极大的危险性，存在着严重失败的可能，因此，共产党员及其所领导的民众和武装力量，应该最积极地站在斗争的最前线，应该使自己成为全国抗战的核心；同时，必须同国民党的片面抗战路线作斗争，并反对悲观失望的民族失败主义。
会议确定了共产党在新阶段的具体行动方针和政策。第一，把党的工作重心放在战区和敌后，放手发动群众，开展独立自主的游击战争，使游击战争担负配合正面战场、建立敌后抗日根据地的战略任务。第二，鉴于农民是抗日战争的主力，改善农民生活以提高农民的抗日积极性，具有极其重要的意义，会议特别决定以减租减息政策作为党在抗战时期解决农民问题的基本政策。第三，在国民党统治区放手发动抗日群众运动，团结广大人民，与国民党的片面抗战政策作斗争，推动抗日战争的胜利进行，在有利于动员全国人民参加抗日战争的前提下，争取全国人民应有的政治经济权利。第四，红军实行战略转变，把过去的正规军和运动战，转变为游击军和游击战。
会议通过了毛泽东起草的《抗日救国十大纲领》。其要点为：（1）打倒日本帝国主义；对日绝交，废除与日本签订的条约；为保卫华北和沿海各地、为收复平津和东北血战到底；驱逐日本帝国主义出中国，反对任何动摇妥协。（2）全国军事的总动员：动员全国海陆空军，实行全国抗战；武装人民，发展抗日的游击战争，配合主力军作战；援助东北抗日联军；动员全民族参战。（3）全国人民的总动员：全中国人民动员起来，武装起来，参加抗战，实行有力出力、有钱出钱、有枪出枪、有知识出知识。（4）改革政治机构：召集真正人民代表的国民大会，通过真正的民主宪法，决定抗日救国方针，选举国防政府。国防政府必须吸收各党各派和人民团体的革命分子，驱逐亲日分子。（5）抗日的外交政策：在不丧失领土主权的范围内，和一切反对日本侵略主义的国家订立反侵略的同盟及抗日的军事互助协定。（6）战时的财政经济政策：财政政策以有钱出钱和没收汉奸财产作抗日经费为原则；经济政策是：整顿和扩大国防生产，发展农村经济，保护战时生产品的自给等。（7）改良人民生活。（8）抗日的教育政策。（9）肃清汉奸卖国贼，巩固后方。（10）抗日的民族团结：在国共两党合作的基础上，建立全国各党各派各界各军的抗日民族统一战线，领导抗日战争，共赴国难。这个纲领是中国共产党全面抗战路线的具体化，全面概括了中国共产党在抗战时期的政治主张，指明了争取抗日战争彻底胜利的道路。