1932年2月20日至22日，日军全线进攻江湾，被中国军队击毙212人，打伤611人。2月22日拂晓，日军再一次发起进攻。日军混成第二十四旅团第一线部队乘晨雾于天亮前突入庙行镇东端中国守军第八十八师第二六四旅第五二七团第三营阵地和麦家宅及其南侧坟地一带。日军打开缺口后，乘机扩大战果，妄图动摇中国守军全线防御。在此危急时刻，右翼军指挥官张治中当机立断，亲自率领右翼军预备队赶往冯家宅第八十八师司令部指挥。张治中一面命令第八十八师坚守阵地阻击日军扩张，一面令第八十七师第二五九旅向庙行镇增援。张治中还令第二六一旅以火力掩护增援部队。

经过分析，第十九路军指挥部判断，经过几天激战，伤亡惨重、止步不前的日军，在没有得到新的增援之前所谓“全线进攻和突破”是可以被中国守军粉碎的。第十九路军总指挥蒋光鼐于2月22日9时决心由江湾镇、庙行镇、蕴藻浜3个方向同时实施反突击，歼灭庙行镇的日军。蒋光鼐命令：第六十师在闸北至江湾一线实施佯攻，以牵制日军；预备队第六十一师第一二二旅（除第六团——编者注）从小场庙、竹园墩向赵店宅攻击当面日军的侧背；第八十七师第二五九旅加入庙行镇正面，与第八十八师同时从正面实施攻击；第八十七师第二六一旅以主力由蕴藻浜渡河，向金穆宅进攻日军侧背。

当天午后，第十九路军各部按指挥部的部署到达指定位置，即全线向日军展开反突击。第六十师由宝山路、天通庵路、中山路向日军实施佯攻，以牵制日军。第六十一师第一二二旅，由大场镇西南向前推进，并在小场庙、竹园墩地区协同第八十八师反击当面日军。第六十一师进占赵家宅西端地区时，发现日军已纵火焚烧房屋，准备溃逃。第一二二旅以部分兵力追击，并于当晚占领孟家宅。第八十七师第二六一旅先后攻占北孙宅、陆家桥、西港、南孙宅，并与占领孟家宅的第一二二旅部相呼应。第八十七师第二五九旅加入庙行镇正面战线后，与第八十八师一起，等到两翼反突击部队进到日军侧背后即实施反击。这样，进攻庙行镇的日军全部陷入突击部队的包围之中。

日军指挥植田谦吉得知混成第二十四旅团被包围后，急令师团预备队以及吴淞支队一部前往救援。日军混成第二十四旅团在救援部队的配合下，仓皇突围溃逃。第十九路军反突击部队与日军展开白刃格斗，战斗异常激烈。经过几个小时的激战，日军大部乘夜色突围逃跑。吴淞支队一部被包围歼灭在金穆宅、大小麦家宅一带。日军在遭到第十九路军反突击部队的沉重打击后，陷入危境之中。而日军全线进攻的企图也宣告失败。经过6昼夜争夺战，日军遭受重创，由全线进攻转为重点进攻，再由重点进攻被迫中止进攻。日军第九师团对江湾地区的攻击也被中国守军击退。在这次战斗中，双方伤亡都较大，日军伤亡800多人，第十九路军也伤亡惨重。

对此，张治中后来回忆道：这是日寇在沪第一次总攻的失败。敌第九师团及久留米混成旅团的精锐，伤亡重大，庙行、江湾间，敌尸堆积如山，计有三四百具之多。而使我伤悼者，就是我的忠勇的袍泽，牺牲于此一役中的，为数亦复不少，官长伤亡八九十员，士兵伤亡一千余名。所以我在一本《淞沪抗日作战所得之经验与教训》小册子上面说过：“以我各官兵作战之勇，牺牲之烈，斯书殆亦不啻滴滴鲜血所写成。”而庙行一役的忠勇奋斗，壮烈牺牲，更是这滴滴鲜血的结晶。2月22日夜，守军恢复原态势。第八十八师主力由于伤亡惨重，撤至庙行镇西南一带进行休整。第六十一师3个团和第八十八师独立旅一个团及第八十七师第二五九旅接替原第八十八师的防务。

第十九路军的反突击是一次成功的战役行动。战斗中，第十九路军指挥果断，作战英勇，官兵团结奋战。舆论界曾一致称“庙行之役是淞沪抗战中战绩的最高峰”。第十九路军的英勇行为，连蒋介石也不得不称：“自经二十二日庙行镇一役，我国军声誉在国际上顿增十倍。连日各国舆论莫不称颂我军精勇无敌，而倭寇军誉则一落千丈也。”日军惨败后立即请求增调援军准备再攻。同时，日军调整了部署，准备进行局部进攻。2月25日，日军以第九师团为主力，以飞机、炮兵做掩护，同时向江湾、小场庙、庙行发起猛攻，企图从一点突破。

上午10时，在小场庙正面的日军集中1万多兵力，在50多门火炮的支援下突破金家塘阵地。2小时后，中国守军增援部队分3路进行反击。一路由江湾镇反击日军左翼；一路由庙行镇反击日军右翼；一路从日军正面反击。反击部队分3路将日军包围起来。激战一直持续到晚亡。日军遭到打击后突围败退，守军阵地失而复得。2月25日晚，第十九路军总指挥部决心全线出击，以歼灭日军第九师团主力。但是，蒋介石一纸电令却改变了第十九路军的行动。蒋介石将第二次决战日期定于2月29日和3月1日。蒋介石还声称，第十九路军后方支援部队已全部到前线，其他部队不到3月6日不能参加战斗，要求第十九路军在这段时间尽量节省前线兵力。蒋光鼐接到蒋介石的电令后，立即命令第十九路军停止出击。于是，守军于2月26日收缩兵力，主动放弃突出的江湾阵地，退守金家塘至竹园墩等地。随即，日军不费吹灰之力进占江湾镇。