为扩大沪战，牵制日军对华北的进攻，蒋介石又任命陈诚为第15集团军总司令，于8月20日率部进军上海。中国军队的顽强抵抗，致使日军陷入困境，不得不大举增兵。
9月21日，蒋介石亲自兼任第三战区司令长官，仍以顾祝同副之。
面对武器装备先进的日军，顾祝同指挥军队奋勇抵抗。为了给中央政府和上海的撤退争取必要时间，中国军队咬着牙将抗战坚持到11月12日，以总投入47个师60余万的兵力，对抗日军先后投入的两个集团军9个师团约30万兵力。
最终，中国军队以伤亡25万余人的代价，歼敌5万人。
虽然代价惨重且最终失败，但日本“三个月灭亡中国”的狂妄计划被彻底粉碎，同时为中国沿海工业内迁赢得了时间。
上海失陷后，南京亦难逃噩运，很快被日军攻陷。第三战区的部队顿时陷入日军三面包围之中。
在这艰难时刻，顾祝同被蒋介石任命为第三战区司令长官，兼江苏省政府主席，管辖江、浙、皖、闽等省区。其下属的6个集团军，多为杂牌军，在长期的战斗岁月中，顾祝同与这些杂牌军相处融洽，因而享有“驭将之才”的美誉。
