宝山保卫战进行的同时，陈诚的第15集团军为克复罗店而与日军再度激烈交战。但日军在占领宝山后，以一部沿宝-罗公路向西攻击，吴淞方面日军也越过泗塘河西攻，中国军队顿时临腹受敌的威胁。至5月上旬，日军后增援兵力陆续登陆开到，国军因无力占据海空控制权而在进攻敌据点、抗击敌登陆和逐地争夺战中损失惨重，被迫转入防御。此时，京沪战区总指挥冯玉祥上将发布的第二期作战计划：“战区以持久战之目的，限制登陆之敌发展，力求各个击破之效。若各个击破不能达成时，则依次后退于敌舰射程之外既得陆地施行顽强抵抗，待后方部队到达，再行决战而取最后胜利。”这一命令的直接制定者蒋介石已经被眼前的实际状况逼迫的不得不听取张学良的意见，做好了国军攻坚不利转而实施防御作战的准备了。
罗店地域的战斗也随着时间的转移而愈发血腥残酷。
被蒋介石下死命令的陈诚硬着头皮狠着心肠指挥部队再次猛攻罗店日军。28日拂晓，第66军160师（师长叶肇中将）在罗店东南的刘家行与日军遭遇立刻展开激战；第77师（师长罗霖中将）和第159师（师长谭邃中将）在开进途中均遭遇日军猛烈炮火持续性袭击，部队伤亡惨重下仍然顽强发动冲锋。160师参谋长司徒丰上校亲率士兵组成敢死队冲入城内与日军反复争夺后抢得阵地，不料日军后方炮兵部队炮火覆盖国军阵地，落弹五千余发，国军阵地进毁，包括司徒参谋长在内的160师全部壮烈殉国。
中午，陈诚以新调拨来的第59师（师长韩汉英中将）为突击主力强攻罗店。日军出动飞机十多架轰炸扫射，又以炮火掩护步兵冲锋，交战阵地上烟山火海，59师官兵们拼死突击，不顾一切以步枪、刺刀，甚至牙齿拳头同日军厮杀，血站至下午四时，第一线官兵伤亡殆尽，无力再战。陈诚又调拨第90师（师长欧震中将）增援，罗店全城火光冲天，狼烟四起，喊杀声震天，国军数次突入城内但旋即被日军击出。
远处，陈诚看着硝烟弥漫尸山血海的罗店，心急如焚。半个小时钱蒋介石刚刚打电话过来，陈诚知道他是来询问有没有拿下罗店，所以根本不敢接电话，便让身边的参谋谎称他上前线督战去了。按照他对蒋介石的了解，顶多过半个小时，按捺不住的蒋介石又一次打电话来询问。可是罗店还是没有拿下，怎么和老头子交代？
就在陈诚心急如梦的时候，身边的电话机果然不出所料准时尖声响起，陈诚一头热汗拿起话筒，果然里面传来了蒋介石那腔尖利的浙江话：“辞修！罗店拿下了没有？”
陈诚抹着汗水愁眉苦脸：“委座，职和前线众国军都已尽全力！我军又没有空军掩护，部队在日军飞机轰炸下伤亡惨重啊！请委员长再宽限数日，职一定拿下罗店！”
出乎意料的是，电话那头却没有传来蒋介石的训骂声，也没有听到那句蒋氏独有禅“娘希匹”，倒是来了一句让陈诚十分意外的话：“是否有空军支援就能拿下罗店？”
“当然！只要有数架战机摧毁敌防御工事和后方炮兵阵地，天黑之前就能夺取罗店！”陈诚连忙拍胸脯道。
蒋介石“好”一声电话后，陈诚又惊又喜，难道老头子舍得让在淞沪空战中损失严重的空军剩下的那些宝贝飞机来助战？如果有，那真是再好不过了。
不到十分钟，望眼欲穿的陈诚等将领终于看见云层中钻出案例十几个黑点，飞机轰鸣声越来越响，陈诚吃惊看见空中机群机翼上标途的既不是日军的旭日标志也不是国军的青天白日徽章，而是一柄柄黑色的双刃战斧。
“是东北军的飞机！”眼尖的官兵们欢呼起来，“弟兄们！咱们的飞机来啦！”
29日当天，东北边防空军增援战机分五批陆续抵达南京、常州、苏州等数个国军军事战场，还没有来得及歇口气的东北飞行员们立刻变便得到了蒋介石的命令投入淞沪战场支援罗店国军地面部队。在国军陆军官兵们雷动欢呼声中，四架“猎隼”战斗机掩护着八架“ZH-2C”中型轰炸机飞临罗店上空首次让日军尝到挨炸的滋味。东北军轰炸机携带这十多吨航空炸弹一股脑全扔到了日军头上，顿时炸的日军血肉横飞。
丢完炸弹的东北军战机们又对日军阵地猛烈扫射了一番才意犹未尽返航。看着天空中威风凛凛离去的东北空军飞机，陈诚感叹道：“张学良真是不简单！假以时日，国军一定也要建起一只强大的空军部队。”
趁着日军被炸的惊魂未定，士气大振的第15集团军官兵们奋勇突入罗店城内，血站至深夜终于再次收复罗店。次日，不甘失败的日军不甘调集坦克、飞机和重炮大举反扑，中日双方围绕罗店双方再次展开拉锯战。东北军空军战机、中央军空军战机和日军陆海航空兵在罗店上方终日交锋厮杀争夺控制权。第十五集团军官兵们同日寇浴血拼杀，战况愈来愈惨烈，为开战以来所仅有。罗店阵地几经易手，往往得而复失，失而复得，阵地钱尸积如山，血流成渠。5月3日，第67师师长李树森中将在激战中被流弹击中身负重伤，日军突破67师阵地攻入城内，罗店再告陷入敌手。刚刚从美国留学回国奔赴前线的黄维中接替67师师长之职率部奋力突入，夺回罗店。7日，日军第6师团沿军工路、淞沪公路和月浦、罗店之线向中国军队发动强大攻势，过军同日军展开殊死搏杀，11日，第15集团军右翼阵地被突破，部队减员严重，逐渐次退至罗店以南施相公庙、浏河之线预筑阵地，第9集团军亦转移到北站、江湾、庙行、蕰藻浜右岸之线预筑阵地，与日军形成对峙。
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