雖然在上海作戰初期，國民政府曾經設想過日軍從金山衛登陸包抄中國軍隊戰線側翼的可能，因此在沿岸建有簡單的防禦工事並留有一些二線部隊進行監視，但是在上海戰事趨於激烈、兵源枯竭之時，卻也只能將防守杭州灣的二線部隊也一一投入正面戰場。此時蔣介石和德國軍事顧問都認為，日本陸軍也已經全力投入上海正面作戰，不會有兵力再投入登陸杭州灣。
11月5日拂曉4時許，日本陸軍第10軍在司令官柳川平助的指揮下，發起了全面登陸作戰。柳川平助一向以慣用迂迴戰略而在日本陸軍中著名，豈能輕易放過中國軍隊這一明顯而致命的破綻。在他的命令下，趁著朦朧曉霧，第10軍以谷壽夫中將指揮的第6師團配屬國崎支隊在金山衛城西側地區、以牛島貞雄中將指揮的第18師團在金山衛城東側實施登陸作戰。以第18師團的步兵第35旅團長手冢省三少將指揮的，以步兵第35旅團（缺步兵114聯隊）、野炮兵第12聯隊第3大隊為基幹組成的左側支隊，從第6師團的左側發起登陸。
一時之間，濃霧瀰漫的海灘之上，杭州灣北岸金山衛附近的全公亭、金絲娘橋、金山嘴、柘林等處同時出現大批日軍登陸部隊。面對著鋪滿海面的日本鐵甲登陸艦和日本陸軍6個聯隊約萬餘人先頭部隊，駐守在海岸線上的中國軍人沒有一個倉皇逃生。平湖境內金絲娘橋鄉公所海防哨發現敵情後，該哨事務員朱希文率領哨兵10多人，在迷霧中開槍抵禦，全部犧牲。白沙灣東司城一帶一連守軍浴血奮戰，大多英勇殉國。在全公亭海天寺留守的炮兵連堅守陣地，孤軍奮戰，也大多為國捐軀。
而由於疏於管理，海塘工事簡陋，彈藥缺乏，日本方面原先最為擔心的中國軍隊沿海構築的10個戰鬥炮台中，竟有6個無炮彈，僅蛇王堂兩個炮台，但發炮幾枚後，屋頂就被日艦炮火轟毀，守軍在斃敵數十人後，全部壯烈殉國。此時從青浦趕來援軍63師1個連，頑強阻擊，到5日晚也陣亡殆盡。
6日上午，日軍在攻佔衙前之後開始攻打新倉，駐新倉的第62師補充營官兵拚死抵抗，大多壯烈犧牲。11月6日以後，日軍基本控制了登陸場，開始蜂擁上陸，3天內便登陸10萬餘人，並分頭擴大推進。第6師團以國崎支隊佔領金山衛城之後，其主力迅速北進，直撲松江。而第18師團則在進入到亭林鎮附近，左側支隊進入到楓涇鎮附近，撲向閔行，直接對淞滬戰場上的國軍右側背形成威脅。這樣第10軍形成的態勢便是一路由金山衛趨張堰、松隱、米市渡而直撲松江，一路由潘涇鎮趨向亭林、葉榭而攻取閔行。
而南京方面陸續收到日軍登陸的報告是在日軍登陸後的次日，在接到報告後，整個國民政府軍事委員會立即陷入一片不安之中，軍委會委員長兼第三戰區司令長官蔣介石親自與具體指揮作戰的戰區副司令長官顧祝同一連通了20多個電話，詢問當前的情況。
當蔣介石在電話中聽到日軍從側翼登陸的軍情後，焦急異常，就連語氣也顯得很是驚詫，顯然這一切並非預料所及。誰也沒有預料到日軍會採取遠距離迂迴的戰術突破金山衛，甚至錢大鈞在接到報告的時候，一度懷疑這是否準確。
6日上午8點多，軍委會情報組派赴淞滬前線的參謀就發回報告：「昨在全公亭登陸之敵現已進到距平湖線三十一里之廣陳小站一帶。又據杭州報告，由乍浦至金絲娘橋水面一帶有敵艦五六十艘，今晨拂曉發炮百餘發。敵從華北調兩師團南下，企圖在乍浦方面登陸。」接到這份報告的時候，錢大鈞已經意識到問題的嚴重性。
來自前線的情況現在幾乎判斷不明，不過有一點是錢大鈞現在可以肯定的：那便是隨著日軍從杭州灣登陸上岸，淞滬戰局很有可能會一日之內急轉而下。淞滬方面現在的情況對於第三戰區來說的確是極為不妙，隨著第6師團和第18師團的一支部隊在金山衛城南側海岸強行登陸成功之後，整個淞滬方面的國軍部隊便面臨被日軍切斷退路的危險。
由於第10軍登陸上岸的時候，海岸幾乎沒有防禦兵力，所以幾乎沒有遇到任何的抵抗，第一線部隊就順利登陸了。至上午9時，登陸部隊便佔領了金山衛城，傍晚攻佔了張堰鎮，另有兩支部隊分別在金山衛城東西部約12公里處掩護全軍登陸。
雖然右翼攻擊軍總指揮張發奎在接到一線部隊的報告之後，當即令浙北浦東的陶廣第62師及張鑾基獨立第45旅與楓涇的陳安寶第79師夾擊登陸日軍，並令胡達的預備第11師由蘇嘉路趕往增援，但由於國軍各部聯絡困難，行動遲緩，而且分離過遠，協同不易，且日軍攻勢迅速，故而雖經分途阻擊，但終因傷亡過重，最終無法形成有效抵抗。目前戰場的態勢是日軍第6師團主力將佔領松江，第18師團主力則向楓涇推進，同時第6師團預計以1個步兵大隊的兵力向平望推進。
而在滬西方面，上海派遣軍第9師團在7日傍晚佔領了屈家橋的西北角，接著又進逼施家街正面地區，並不斷將進攻陣地向前推進。第3師團則在7日下午佔領了郁家宅一線，並在夜間架設以船隊組成的浮橋，以確保蘇州河北岸的交通。不過第11師團左翼方面的中國軍隊依然在增強增援兵力，考慮到這些中國軍隊可能會威脅到第9師團的右翼，於是松井石根已經下令該9師團推遲進攻，以有生力量攻擊江橋鎮，另從第101師團建制內抽調1個步兵聯隊派往第9師團的右翼，以防備不測。第13師團方面除了遭到小規模的反攻之外，幾乎沒有和中國軍隊發生什麼大的激戰。
此時擺在中國軍隊面前的僅有一條路，那就是迅速調集足夠的兵力於側翼，阻擊金山衛方向的日軍，遲滯其攻勢。遲滯不是目的，而是為上海正面作戰的國軍迅速組織掩護和撤退的手段。但是當陳誠建議必須主動後撤既設國防線時，蔣介石卻下令再支持三日！雖然錢大鈞也認為「如我軍能站穩現有陣地，三日以後當無危險矣」。可事實上，由於天雨泥濘，加上日機轟炸，增援金山衛一線的作戰部隊行動遲緩，日軍後續部隊源源登陸。在金山衛登陸上岸的大批日軍部隊現在已經使得上海戰場中國軍隊的側背受到嚴重威脅，甚至退路可能被掐斷，全軍陷入包圍，直至盡皆覆沒。
也正是考慮到淞滬戰場的危局，在參謀副長白崇禧已經向蔣介石提議「中國軍隊向吳福線後撤」之後，中路軍總指揮朱紹良、軍政部長兼參謀總長何應欽等人也提出「已到不能不後撤之時」的意見。
畢竟此時日本陸軍第10軍主力在得勝港、米市渡等處開始渡過黃浦江，其後續部隊第114師團及軍直屬部隊也開始登陸，並逐次向金山集中。而上海派遣軍方面為支援第10軍作戰，也分別向當面的中國軍隊發動進攻。這個時候如果再不實施總撤退，則時機不待，必將坐吞苦果。然而直到8日當晚，由於統帥部發現淞滬戰場的中國軍隊已處於即將被包圍的危險境地，蔣介石這才急忙下令從上海撤退。
其實在日本陸軍參謀本部正為從情報部門獲悉的「敵方得知第10軍登陸後非常驚慌，已緊急調遣嘉興附近的部隊開往楓涇附近，任務是防守該地區周邊，同時還將一部分兵力從崑山和蘇州附近向南方轉移，似乎要向青浦和平望附近推進。位於（上海）派遣軍前面的第二線敵軍兵團似乎也要向青浦和松江撤退。不過，第一線部隊仍然在堅守陣地」這一消息而舉杯歡慶時，第10軍方面的登陸行動並非十分順利。
由於天氣的原因，第10軍的敵前登陸雖然沒有遭到預想中的猛烈抵擋，但是後續重裝備的登陸卻相當困難。第6師團和第18師團的野戰炮還沒有完全登陸完畢，第114師團的主力尚未開始登陸，特別是由於陸地交通極為困難，道路不僅泥濘，而且僅夠輜重車輛通行，第10軍幾乎必須依賴搶劫等手段在附近找尋物資來補充給養。
而就在蔣介石權衡利害，經過三天思考認識到保存有生力量的重要性，最終提出「保持戰鬥力持久抗戰，與消失戰鬥力維持一時體面相較，當以前者為重也」的時候，日軍華中方面軍已經開始猛攻松江一線。同一天，在上海派遣軍的命令下，第101師團的一部分部隊加入到了第9師團的右翼，這是因為蘇州河一線的吉住良輔第9師團此時多少也取得了一定的進展，依次佔據了南面地盤，上海派遣軍方面為了進一步使得第9師團的攻擊得到展開，於是在11月8日下令從伊東政喜第101師團中抽調1個步兵聯隊、野炮兵1個大隊為基幹，配屬第9師團，接著軍司令部又下令第101師團主力準備繼第9師團的左翼渡過蘇州河。
而日本陸軍第6師團雖然缺乏重型裝備，但還是直接向松江城發起了進攻。由於防守松江的吳克仁第67軍剛由豫北調來，集結還未完成，日軍便已經兵臨城下，故而該軍各作戰部隊一戰便潰，全軍為日軍各個擊破，一天之內，松江城淪陷。松江失陷，這就使得退守蘇州河南岸的中國軍隊側背受敵，有被圍殲危險。這個時候，中國統帥部已經不得不開始實施從上海總撤退了。