1937年8月13日，淞沪会战爆发，日军先后投入陆海空部队近30万人，动用舰艇30余艘，飞机400余架，战车300余辆。我军先后调集中央精锐部队，以及湖广，四川，云南等地方部队70余万人迎战。单就兵力而言，中国军队占有绝对优势，步兵装备也不比日军逊色。但日陆军普遍拥有重炮，大型坦克，重型轰炸机，以及大量战列舰助战，炮火十分猛烈，总体战斗力强于中国军队。
上海日军利用火力优势，对中国守军阵地进行狂轰滥炸，致使守军伤亡惨重，但仍拼死不退。1937年11月5日，日军从杭州湾金山卫附近登陆，从后路包抄中国守军，守军被迫撤出上海。11月13日，上海沦陷。淞沪会战历时三个月，使日军付出伤亡6万余人的代价，击碎其3个月灭亡中国的美梦，更有800壮士守四行等佳话留传。中国军队伤亡则两倍于日军，可谓一寸山河一寸血。
淞沪会战期间，中国军队出动仅有的300余架飞机加入战斗，至此爆发大规模空战。中国飞机性能不如日军，大多数是欧美国家已经淘汰的型号。但中国飞行员以精湛的飞行技术和满腔爱国热情，依旧给日空军以沉重打击，先后击落，击伤，撞毁日机200余架，书写了一曲长空壮歌，但同时自己也损失过半。
当时的著名记者王小亭，会战开始后他奔赴战地，任职于美国赫斯特新闻社，在淞沪战场上拍下许多珍贵照片。8月28日正午，一队日机对上海火车站实施无区别轰炸，当场炸死正在候车的妇女幼童200多名。王小亭不顾危险，用最后一点胶卷，捕捉到一个满身是血的小孩坐在车站废墟中嘶声大哭的场面，并将其裁剪成一幅图片。这张照片随即刊登在美国生活杂志上，并且迅速传遍全球，得到世界各国人民的广泛同情，以及对日本这种丧失人道行为的强烈谴责。
同年9月，日军出动兵力5个师团14万人，企图占领素有西北屋脊之称的山西，以掌握整个华北战场的主动权。中国军队共28万余人参加了太原会战。八路军在会战中创下平型关大捷，击毙板垣师团精锐部队1000余人，缴获大量军用物资，打破日军不可战胜的神话。11月9日，太原失守。太原会战历时两个月，日军伤亡3万余人，中国军队伤亡10万人以上。
