這個計劃立刻得到了參謀長白崇禧的支持，并且決定由剛剛抵達的桂軍擔(dān)任這場反擊的主角。白崇禧對桂軍的戰(zhàn)斗力非常自信，還決定親臨前線指揮。此時，恰逢國際聯(lián)盟即將召開會議，蔣介石也有意打一場漂亮的反擊戰(zhàn)，以彰顯中國軍隊抗戰(zhàn)的決心，從而爭取更多援助，因此他對此次反擊也給予了大力支持。

10月18日夜晚，中國軍隊下達反擊作戰(zhàn)命令，要求中央集團軍8個團組成攻擊軍，從左翼發(fā)起反擊；其他正面各師則編成4個突擊隊，重點打擊敵方陣地要點，在策應(yīng)左翼部隊的同時，鞏固陣地防線。此外，炮兵部隊集結(jié)火力，隨時支援左翼部隊，各部必須在21日天亮前做好全部準(zhǔn)備。

擔(dān)任此戰(zhàn)主攻任務(wù)的主力部隊，正是李宗仁和白崇禧麾下的桂軍。桂軍堪稱當(dāng)時中國地方部隊中戰(zhàn)斗力最強的一支。當(dāng)時廣西受過訓(xùn)練的壯丁多達百萬，且每年都會從德國訂購新式步槍一萬支及先進自動步槍。廣西人性情剽悍，桂軍更以死戰(zhàn)聞名，尤其擅長山地作戰(zhàn)。只可惜上海地區(qū)河網(wǎng)密布、稻田成片，別說山了，連丘陵都難尋。

10月21日，中國軍隊的反擊戰(zhàn)正式打響。第21集團軍總司令廖磊對廣西籍戰(zhàn)士們說：“你們生在這個陣地，死也要死在這個陣地！誰敢擅自脫離陣地，無論官兵，一律提頭來見！”在猛烈的炮火準(zhǔn)備后，第21集團軍第48軍向程家航、頓悟寺、桃源浜一線的日本第十三、第九師團發(fā)起猛攻。

然而，戰(zhàn)斗剛一打響，桂軍便遭到日軍猛烈炮火攔截。第48軍攜帶的火炮本就稀少，若要用一句話形容當(dāng)時的對戰(zhàn)場景，便是“一寸山河一寸血，十萬青年十萬軍”。在這場中國抗戰(zhàn)史上規(guī)模最大、最慘烈的戰(zhàn)事中，中國軍隊雖拼死防守，仍不斷丟失陣地、遭受重創(chuàng)，戰(zhàn)機屢次錯失，甚至出現(xiàn)了個別部隊抗命的情況。

對日本侵略者而言，中國軍隊上下一心、拼死抵抗、毫無退縮之意。日軍憑借精良的戰(zhàn)車，對桂軍的戰(zhàn)斗表現(xiàn)極為不滿。桂軍第七軍軍長對部隊的戰(zhàn)斗狀態(tài)尤為惱火，他說：“我們第七軍在國內(nèi)素有‘鋼軍’之稱，可不到兩天，陣地就成這副模樣！今晚若不奪回二營陣地，從營長到士兵，全部按軍法處置！”

當(dāng)時，桂軍某部12名連長傷亡9人，僅存幾個營的士兵不足160人。但就是這160多名戰(zhàn)士，依然毅然決然地沖向敵陣。第21集團軍各部因兵力不足、火力支援匱乏，進攻嚴(yán)重受阻，連預(yù)想中的攻擊線都未能抵達。

次日凌晨，桂軍陷入頹勢，日軍趁機發(fā)起反攻，桂軍各部在日軍猛攻下開始向后敗退。為挽回敗局，指揮部緊急調(diào)集預(yù)備隊趕赴前線填補缺口，但戰(zhàn)線仍在持續(xù)后移。24日，中國軍隊退至大場一線，隨后日軍再次發(fā)動猛攻。大場外圍的湘軍第十八師和西北軍第三十三師，甚至連簡易防御工事都未及構(gòu)筑，日軍便已沖了上來。

西北軍第三十三師不戰(zhàn)而逃，致使第十八師瞬間陷入重圍，最終因援軍不至，大場失守。第十八師師長朱耀華羞憤自殺。大場失守后，整個上海戰(zhàn)局急轉(zhuǎn)直下，中國軍隊腹背受敵。為避免被敵軍合圍殲滅，第三戰(zhàn)區(qū)最終決定放棄現(xiàn)有陣地，全面向蘇州河南岸轉(zhuǎn)移。

大場失守當(dāng)日，戰(zhàn)區(qū)副司令顧祝同致電第88師師長孫元良，命其率部留守，死守上海市區(qū)。至于為何要留下一支孤軍于日軍重重包圍之中，從軍事角度看實在難以理解，唯一合理的解釋或許只是出于政治考量。正如前面所述，蔣介石意圖通過這支孤軍向全世界、向英美表明：中國軍隊即便身陷絕境，仍堅守上海市區(qū)，以此博取同情與支持。所幸，在第88師師長孫元良的堅決反對下，最終留在上海市區(qū)的僅有一個營，這就是后來我們熟知的四行倉庫“八百壯士”。