20日，庙行战役打响。植田令日军全线总攻，采取中央突破，两翼卷击的战法，以第9师团主突江湾、庙行结合部，试图北与久留米旅围攻吴淞，南与陆战队合围闸北。日军飞机结队成群在中方阵地及阵地后方到处掷弹，更以重炮及敌舰炮向吴淞、庙行一带阵地集中射击，日军步兵则借飞机炮火掩护攻击前进，一场恶战开始了。中国守军第十九路军与第五军并肩作战，密切配合，利用长江三角洲水网地带和工事顽强抗击，并组织战斗力强的部队夹击突入江湾、庙行结合部之日军。
20日晨，植田下达总攻击令，以陆海空全部武装力量向我发动全线进攻，重点是江湾、庙行。敌人先以飞机10余架轮番轰炸我八十八师，接着运用炮火掩护2000多名步兵冲锋，双方展开了肉搏，由于我军奋力还击，日军受挫。另二路日军从张华浜登陆向我八十七师二六一旅宋希濂部所扼守之曹家桥、季家桥阵地进攻，均被我军击退。还有一路敌军从杨树浦出发，经军工路向我江湾高境庙天乐寺进犯。日军以工兵为先导，毁农田、填沟壑、筑了一条通向庙行的临时公路，企图拦腰分割我军南北兵力。植田调集精兵，从高境庙天乐寺司令部出发，沿着临时公路向我进攻。国民革命军第八十八师二六二、二六四两旅沉着应战。二六四旅副旅长黄梅兴临危不惧，身先士卒，组织官兵奋力还击，毙伤大批日军。晚上，日军不甘失败，继续进攻，枪炮之声不绝，火光冲天，麦家宅阵地多处被毁。黄梅兴机智沉着，抢修加固损坏的工事，官兵仍埋伏于战壕之内，屏息以待。当日军接近战壕时，手榴弹、步枪齐发，黄梅兴率部冲出战壕，日军狼狈逃窜。
21日凌晨，敌军虽遭重创，但仍以猛烈炮火和大量兵力。攻陷了麦家宅。他们以麦家宅为据点，爬上屋顶，窥视我军在庙行小金穆宅行动，不时放枪进行试探。我军知其有诈，不予理睬，等待时机还击。另外一部份日军从闸北向庙行东南竹园墩阵地攻击，我军工事被毁甚多，尽管如此，日军几次进攻均未得逞。偷渡蕴藻浜进攻庙行的数百日军，在我二六一旅炮火的猛烈还击下，知我防备森严，不敢贸然进犯。二五九旅五一七团高炮连击落了日军846号战斗机l架，驾驶员田中大尉当场丧命。
21日，夜幕降下后，军长张治中命令88师预备队528团、工兵营等部队，向日方前沿阵地袭击，日军打了两天，十分疲惫，又没有防备，损失惨重。恼羞成怒的侵沪日军总指挥植田谦吉调集第9师团和第24混战旅约2万人，于22日凌晨1时向庙行扑击，一场空前的恶战在庙行展开。由于中国守军88师官兵有了准备，日军的反扑受到挫折。于是从凌晨3时起，敌集中优势炮火对庙行各线阵地猛烈轰击，企图摧毁我军工事和有生力量。在敌军炮火的猛烈轰击下，88师各部工事大部被摧毁，官兵伤亡不断增加。拂晓后，大批飞机加入作战，战斗更加激烈。日军以2～3万人的优势兵力倾巢出动，并使用铁甲车，坦克车30余辆，以猛烈炮火掩护冲锋。其来势之猛烈，为开战以来所罕见。我军对其行动觉察较早，除前锋部队奋力还击外，左右两侧夹攻并包抄其后，加以围攻。我将士均抱必死之心，无不以一当十，勇猛抗击，八十八师五二七团第三营营长陈振新当场阵亡。有一处防线被敌突破，在此紧急关头，张治中军长率教导队(缺一营)亲临前线指挥作战，并令八十七师二五九旅孙元良部火速增援；令守卫在蕴藻浜北岸的宋希濂部从季家桥渡过蕴藻浜袭击日军侧背，令俞济时师长阻击日军突破口。十九路军张炎也率两个团的兵力从竹园墩向麦家宅等地迂回包围。日军被我三面夹击，仓惶溃逃。麦家宅、金家宅之敌并不甘心失败，仍在负隅顽抗，两次调集后方部队增援，并以飞机助战。此时，我军各路援军全部到达，士气大振，战斗复趋激烈，双方展开肉搏战。我某部班长被日军刺伤左臀，鲜血直流，仍然奋不顾身，连续杀死日军2名。由于我军斗志旺盛，连续打退了日军对庙行的数次进攻。到22日晚上8点30分，终于把抢占金家宅、麦家宅之敌全部消灭，夺回了失去的阵地，炸毁日军坦克3辆、铁甲车1辆、野战炮20余门，缴获枪枝弹药无数。
第5军和第19路军总指挥部接获庙行前线战报后，当即采取紧急措施：军长张治中率教导总队赶到88师部坐镇指挥，命令88师预备队向敌突入区实施反击，87师一部分向庙行增援，87师另一部分渡河袭击敌之侧背。19路军总指挥部也从左、右、正面向日军展开反击，同时命令61师2个团先后向庙行增援。增援路上，冒着日军的枪林弹雨，中国守军抗日官兵前仆后继，战至22日下午，庙行激战的形势向着有利于中国军队的方向发展。三支援军不断向日军进逼，逐步形成从三个方面包围进犯庙行之敌的战局，迫使日军停止进攻。傍晚，日军飞机停止活动，88师各线部队在三支援军的配合下，向日军展开全线反击，日军节节败退。至晚10时，日军大部向淞沪以东溃退，剩下的麦家宅残军被87师彻底消灭。
张治中在望远镜中发现88师打得漂亮，但伤亡也不少，命令61师迅速增援，下午又命令87师抽261旅增援。261旅旅长孙元良接到命令，组织两个团从纪家桥渡河，抄袭到日军背后。
庙行战斗之激烈，为开战以来所没有。中外报纸反响强烈，一致认为这是沪战中我军战绩之高峰，共同欢呼我军之伟大胜利。26日，蒋校长也先后向十九路军、第五军抗日将士发来电报表示慰勉，认为庙行一役，我国军声誉在国际上顿增十倍，而日军军誉则一落千丈。日军在庙行总攻的失败，也是植田自我吹嘘“中央突破”计划的破产。日军第九师团及久留米混成旅的精锐之师受创严重，几乎溃不成军。日军伤亡重大，庙行、江湾之间留下敌尸3～4千具之多。庙行战役之胜利，是无数先烈滴滴鲜血的结晶，也是我国反侵略战争史册上光辉的一页，为中华民族伸张了正气。