20日，廟行戰役打響。植田令日軍全線總攻，采取中央突破，兩翼卷擊的戰法，以第9師團主突江灣、廟行結合部，試圖北與久留米旅圍攻吳淞，南與陸戰隊合圍閘北。日軍飛機結隊成群在中方陣地及陣地後方到處擲彈，更以重炮及敵艦炮向吳淞、廟行一帶陣地集中射擊，日軍步兵則借飛機炮火掩護攻擊前進，一場惡戰開始了。中國守軍第十九路軍與第五軍並肩作戰，密切配合，利用長江三角洲水網地帶和工事頑強抗擊，並組織戰鬥力強的部隊夾擊突入江灣、廟行結合部之日軍。

　　20日晨，植田下達總攻擊令，以陸海空全部武裝力量向我發動全線進攻，重點是江灣、廟行。敵人先以飛機10余架輪番轟炸我八十八師，接著運用炮火掩護2000多名步兵衝鋒，雙方展開了肉搏，由於我軍奮力還擊，日軍受挫。另二路日軍從張華浜登陸向我八十七師二六一旅宋希濂部所扼守之曹家橋、季家橋陣地進攻，均被我軍擊退。還有一路敵軍從楊樹浦出發，經軍工路向我江灣高境廟天樂寺進犯。日軍以工兵為先導，毀農田、填溝壑、築了一條通向廟行的臨時公路，企圖攔腰分割我軍南北兵力。植田調集精兵，從高境廟天樂寺司令部出發，沿著臨時公路向我進攻。國民革命軍第八十八師二六二、二六四兩旅沉著應戰。二六四旅副旅長黃梅興臨危不懼，身先士卒，組織官兵奮力還擊，斃傷大批日軍。晚上，日軍不甘失敗，繼續進攻，槍炮之聲不絕，火光衝天，麥家宅陣地多處被毀。黃梅興機智沉著，搶修加固損壞的工事，官兵仍埋伏於戰壕之內，屏息以待。當日軍接近戰壕時，手榴彈、步槍齊發，黃梅興率部衝出戰壕，日軍狼狽逃竄。

　　21日凌晨，敵軍雖遭重創，但仍以猛烈炮火和大量兵力。攻陷了麥家宅。他們以麥家宅為據點，爬上屋頂，窺視我軍在廟行小金穆宅行動，不時放槍進行試探。我軍知其有詐，不予理睬，等待時機還擊。另外一部份日軍從閘北向廟行東南竹園墩陣地攻擊，我軍工事被毀甚多，盡管如此，日軍幾次進攻均未得逞。偷渡蘊藻浜進攻廟行的數百日軍，在我二六一旅炮火的猛烈還擊下，知我防備森嚴，不敢貿然進犯。二五九旅五一七團高炮連擊落了日軍846號戰鬥機l架，駕駛員田中大尉當場喪命。

　　21日，夜幕降下後，軍長張治中命令88師預備隊528團、工兵營等部隊，向日方前沿陣地襲擊，日軍打了兩天，十分疲憊，又沒有防備，損失慘重。惱羞成怒的侵滬日軍總指揮植田謙吉調集第9師團和第24混戰旅約2萬人，於22日凌晨1時向廟行撲擊，一場空前的惡戰在廟行展開。由於中國守軍88師官兵有了準備，日軍的反撲受到挫折。於是從凌晨3時起，敵集中優勢炮火對廟行各線陣地猛烈轟擊，企圖摧毀我軍工事和有生力量。在敵軍炮火的猛烈轟擊下，88師各部工事大部被摧毀，官兵傷亡不斷增加。拂曉後，大批飛機加入作戰，戰鬥更加激烈。日軍以2～3萬人的優勢兵力傾巢出動，並使用鐵甲車，坦克車30余輛，以猛烈炮火掩護衝鋒。其來勢之猛烈，為開戰以來所罕見。我軍對其行動覺察較早，除前鋒部隊奮力還擊外，左右兩側夾攻並包抄其後，加以圍攻。我將士均抱必死之心，無不以一當十，勇猛抗擊，八十八師五二七團第三營營長陳振新當場陣亡。有一處防線被敵突破，在此緊急關頭，張治中軍長率教導隊(缺一營)親臨前線指揮作戰，

並令八十七師二五九旅孫元良部火速增援;令守衛在蘊藻浜北岸的宋希濂部從季家橋渡過蘊藻浜襲擊日軍側背，令俞濟時師長阻擊日軍突破口。十九路軍張炎也率兩個團的兵力從竹園墩向麥家宅等地迂回包圍。日軍被我三面夾擊，倉惶潰逃。麥家宅、金家宅之敵並不甘心失敗，仍在負隅頑抗，兩次調集後方部隊增援，並以飛機助戰。此時，我軍各路援軍全部到達，士氣大振，戰鬥複趨激烈，雙方展開肉搏戰。我某部班長被日軍刺傷左臀，鮮血直流，仍然奮不顧身，連續殺死日軍2名。由於我軍鬥志旺盛，連續打退了日軍對廟行的數次進攻。到22日晚上8點30分，終於把搶佔金家宅、麥家宅之敵全部消滅，奪回了失去的陣地，炸毀日軍坦克3輛、鐵甲車1輛、野戰炮20余門，繳獲槍枝彈藥無數。　　第5軍和第19路軍總指揮部接獲廟行前線戰報後，當即采取緊急措施:軍長張治中率教導總隊趕到88師部坐鎮指揮，命令88師預備隊向敵突入區實施反擊，87師一部分向廟行增援，87師另一部分渡河襲擊敵之側背。19路軍總指揮部也從左、右、正面向日軍展開反擊，同時命令61師2個團先後向廟行增援。增援路上， 冒著日軍的槍林彈雨，中國守軍抗日官兵前仆後繼，戰至22日下午，廟行激戰的形勢向著有利於中國軍隊的方向發展。三支援軍不斷向日軍進逼，逐步形成從三個方麵包圍進犯廟行之敵的戰局，迫使日軍停止進攻。傍晚，日軍飛機停止活動，88師各線部隊在三支援軍的配合下，向日軍展開全線反擊，日軍節節敗退。至晚10時，日軍大部向淞滬以東潰退，剩下的麥家宅殘軍被87師徹底消滅。

　　當日軍全力進攻廟行時，他親率四個營，強渡蘊藻浜，攻敵側背，予敵重創，粉碎了日軍中央突破的計劃，使戰局轉危為安。

　　張治中在望遠鏡中發現88師打得漂亮，但傷亡也不少，命令61師迅速增援，下午又命令87師抽261旅增援。261旅旅長孫元良接到命令，組織兩個團從紀家橋渡河，抄襲到日軍背後。

　　廟行戰鬥之激烈，為開戰以來所沒有。中外報紙反響強烈，一致認為這是滬戰中我軍戰績之高峰，共同歡呼我軍之偉大勝利。26日，蔣介石也先後向十九路軍、第五軍抗日將士發來電報表示慰勉，認為廟行一役，我國軍聲譽在國際上頓增十倍，而日軍軍譽則一落千丈。日軍在廟行總攻的失敗，也是植田自我吹噓“中央突破”計劃的破產。日軍第九師團及久留米混成旅的精銳之師受創嚴重，幾乎潰不成軍。日軍傷亡重大，廟行、江灣之間留下敵屍3～4千具之多。廟行戰役之勝利，是無數先烈滴滴鮮血的結晶，也是我國反侵略戰爭史冊上光輝的一頁，為中華民族伸張了正氣。