讨袁军鉴于白天攻击受挫，决定发起夜战。当晚10时，陈其美令进攻西栅的部队佯攻，集中兵力炮火猛攻东栅。午夜时分，东栅被讨袁军攻下，蒋介石等突入第一道围墙。
这时，一阵阵呼啸声接踵而至，一颗颗重型炸弹在讨袁军中炸响，顷刻之间，讨袁军血肉横飞。蒋介石先匍匐在一个角落里，继而又不停地跳下弹坑，才保住了性命。
这次战斗，陈其美仍安排由福字营任先锋；淞军、浙军和镇军随后，激战至11时45分停战。至24日晨2时45分，两军又激战40分钟。讨袁军异常奋勇，猛扑东栅，仍然被海军舰队发巨炮还击，只好重新退出。
这时，讨袁军伤亡较大。
由于海军舰炮不时向讨袁军总司令部开炮，使附近地区的民房倒塌、着火，陈其美于7月24日晨，把司令部移转至沪宁车站以北的南海会馆。
当晚，陈其美又指挥讨袁军向敌人发起第三次进攻，双方伤亡惨重。
7月25日夜，陈其美组织讨袁军向敌人发起了第四次进攻。这次进攻，讨袁军损失更大。虽然钮永建的淞军攻下龙华后，与陈果夫的奋勇军一起来助攻制造局，但制造局仍岿然不动。陈其美只好放弃南市，把军队撤往吴淞。
郑汝成在多次击退讨袁军的进攻后，气焰顿时嚣张起来。他致函南市商团，威胁说：如果陈其美不取消在吴淞的讨袁军总司令部，他就命令海军开炮摧毁。陈其美为避免当地商场遭受战火破坏，决定退出。
上海的激烈战事引起了各方的关注。
25日上午9时，上海红十字会的有关人士分赴南北军阵地，要求双方停火。
驻沪外交团与工部局也出示通告，贴在上海街头，其中说：
近数日来，团组织毗连之处乱起，阻挠商业，又复破坏本界秩序。现各外国领事馆及工部局宣示，或在本界或于本界以北毗连各乡，不准作为行军根据及阴谋计策中点之用。两方面之中国兵弁，无论何方，均须迁出本界北乡之外，以免战事涉及本界，而保卫各国守分商民之安宁。且军事领袖与有连带者，无论何党，或文或武，亦应由本界及本界北乡，立即迁出，如违定行提究。
除了贴通告外，英国和其他国家的军舰也纷纷驶近上海，准备派武装部队登岸，“保护”租界；工部局派总巡捕房头目卜罗斯带领马队三十余人，到沪宁火车站北面的南海会馆，驱逐陈其美的讨袁军总司令部。
对此，陈其美气愤在胸。
24日晚9时，战火重燃。
政府军探知沪杭火车站附近驻有新开到上海的钮永建部淞军2000名，当即出动500人前往攻击。两军在车站附近开火交战。不久，讨袁军佯败西退，政府军紧追不舍。这时，另一路淞军趁机进攻制造局西栅，两军互有伤亡，仍然未见胜负。
当晚激战时，被关押在南市监狱的宋案主犯之一的应桂馨，纠合同狱的数十名囚犯越狱而出。
本来，在陈其美将讨袁军司令部由南市迁往闸北时，周南陔就曾向陈其美请示：刺宋要犯应桂馨，押在城里地方监狱中，这人是带到闸北军中，还是就在此时枪毙？陈其美因为军事缠身，精神十分疲惫，他听了周南陔请示后，思索良久，然后答复道：“不必！此案既归司法办理，现在不能自蹈其咎。”陈其美便用手作势，指着另一个手心道：“放心！放心！总在我们的这里。（这时，即指手掌）”周南陔不好违抗，只得作罢。不料，终于让应桂馨趁乱逃跑了。
次日，上海红十字会会长沈仲礼、美国医生柯司在驻沪领事团的支持下，出来调停战争。沈仲礼、柯司医生首先来到海筹军舰，会见政府军李鼎新、郑汝成二位司令，向他们反复陈述：上海租界内外有居民200万人，请以人道为重。经过再三请求，李鼎新、郑汝成回复两点：一、南北两军一律退往吴淞外决战；二、闸北与城内不准再战，南军司令部不准在华界再行开战。随后，沈、柯二人又驱车前往闸北会见陈其美，告以“勿因袁（世凯）一人，伤害沪人数千万生民财产”。并向陈其美转述了政府军方面的条件。结果，陈其美断然予以拒绝。
25日晚，双方继续战斗。
淞军1500人猛攻制造局。政府军以探照灯扫视，一旦发现讨袁军，立即以机关炮轰击，并由海军开炮轰击。淞军因探照灯射眼，无法前进，亦只能远距离开炮还击。翌日，驻沪领事团与工部局西董会议，两次决定干涉中国内战，于26日发出通告：
上海外国公界，本为商务而设。近数日来，毗连之处乱起，阻挠商业，又复破坏本界秩序。现各外国领事馆及工部局宣示，或在本界或于本界以北毗喧嚣各乡，不准作为行军根据及阴谋策划中点之用。两方面之中国兵弁，无论何方，均须迁出本界北乡之外，以免战事波及本界，而保卫各国守分商民之安宁。且军事领袖与有连带者，无论何党，或文或武，亦应由本界及本界北乡，立即迁出，如违定行提究。朱宗震等编：《民初政争与二次革命》（下编），上海人民出版社1983年版，第721—722页。
27日晨，租界工部局借口闸北中国商人请求保护生命财产，派遣总巡捕卜罗斯率马队30余人侵入中国地界，开往闸北南海会馆和湖州会馆，驱逐讨袁军。蒋介石所率的原沪军第六十一团一部约207名讨袁军为英军缴械。陈其美被迫将司令部迁往吴淞中国公学内。
28日晚，讨袁军对制造局发起最后一次象征性的进攻。这一天，海军总长刘冠雄率领的舰队护送政府第四师李厚基旅南下，3天后陆续抵达上海，进驻制造局，讨袁军被迫向七宝一线退却，制造局解围。
7月29日，黄兴因在南京讨袁失败，败走日本。
7月31日，袁世凯复电伍廷芳，反对他三天前的和平呼吁：
沪上战祸，微公言已深虑。唯此次叛徒，志在窃地裂国。以制造局为依赖，抵死奋夺，使政府稍存投鼠忌器。即借寇之资，已成大局，何堪设想？鄙人受国民付托之重，一日在位，断不忍国家破碎自我。严防痛剿，责所难辞，且该叛军以十九营之众，毫无缘故，数昼夜围攻该局，欲使守军束手待毙，尤为无此军律，无此人道。中外耳目俱在，谁在戎首，自有公论。近日诂张为幻之事极伙，电信难分真伪，若有见教，幸速驾来京面谈。
同日，袁世凯还勒令北京国民党本部开除黄兴、陈其美、李烈钧、陈炯明、柏文蔚五人党籍，又悬赏缉拿黄兴、陈其美、黄郛、李书城四人。上海大街小巷贴满了悬赏布告，其中黄兴悬赏十万元，陈其美五万元，黄郛、李书城各两万元。
同日，浙江都督朱瑞派遣的浙军也开赴上海支援政府军，淞军被迫退往吴淞一带，讨袁军被迫据守在江湾—吴淞一隅。
同日，陈其美倚重的刘福彪部也在程德全策反下，在吴淞准备叛变，企图与政府军里应外合，袭击讨袁军。幸亏发现及时，才未造成恶果。
8月1日，孙中山、黄兴乘船离开上海，经福州、台湾，后抵日本。
8月6日，吴淞要塞总监白逾桓与吴淞司令居正先发制人，将刘福彪部缴械。
8月13日，吴淞炮台遭政府军海军舰队巨炮轰击，炮台失守。钮永建部淞军和居正部讨袁军退往太仓一带。
至此，上海讨袁军完全失败，陈其美被迫逃往租界躲避。
8月14日，上海租界工部局趁机落井下石，通知陈其美“不准留在或进入上海外界租界”。并声称，在接到本通知后，“若仍留在租界范围之内，应派巡捕拘拿”，对于租界当局的此种行为，陈其美非常气愤。