军弟兄苦战数日，孤军无援，实在是忍无可忍，主动请缨，蒋介石在办公室内转来转去，难下决心。他叫来陈布雷，请他出个主意。陈布雷书生气十足，直爽地说：“现在举国上下、党内党外，抗日呼声很高。蒋公若再不出兵，无异于为虎作伥，与历史上的汉奸、卖国贼有何区别？”蒋介石脸色一变，不耐烦地摆摆手，把他赶走。然后，坐在书桌前呆了半天，最后才给张治中挂电话，任命他为第五军军长，率领第87师、第88师及中央陆军军官学校教导总队，增援上海。15日，出发前夜，张治中一宿未合眼，出征前，留下一封遗书：“当前正是国家民族危急存亡之秋，治中身为军人，理应亲赴疆场，荷戈奋战，保卫我神圣领土，但求马革裹尸，不愿忍辱偷生，如不幸牺牲，望能以热血头颅唤起全民抗战，前仆后继，坚持战斗，抗击强权，卫我国土。”
20日，日军出动约2万人，在飞机、军舰和坦克的掩护下，对庙行发动总攻。蒋光鼐指挥十九路军和第五军进行坚决反击，战斗惨烈。三天内，我军以伤亡2000余名官兵，击毙、击伤日军800多人，打退了敌人的数次进攻，取得了庙行大捷。美国记者斯诺深入前线，报道说：中**队“只能靠迫击炮、步枪和少数机枪抵御拥有优越得多的重武器的入侵者，要有多大的战斗精神啊！这是一种我原来不知道中国人所具有的坚韧不拔的战斗精神”。
日军增兵日多，而我国驻无锡、苏州一带的上官云相一师，驻浙江的戴岳一旅，驻江北的梁冠英一路以及在杭州、赣东的蒋介石嫡系部队约60个师、200万部队，却坐山观虎斗。陈铭枢忧心如焚，给行政院院长汪兆铭发去求援电，没有下文。黄炎培主编的《生活》周刊点名批评蒋介石“满口自命为国效死的死在哪里？不但自己不曾死，对于援军尚且多方捣鬼，阴阳怪气”。在上海的部分国民党中委实在坐不住了，集体联名，责问蒋介石为何见死不救。军政部却按照蒋介石的授意，不发给十九路军一枪一弹一分军饷，反而通令全军：“十九路军有三师十六团，无须援兵，尽可支持。各军将士非得军政部命令而自由行动者，虽意出爱国，亦须受抗命处分。”十九路军官兵闻讯后，肺都气炸了。蒋光鼐愤愤地骂道：“这种事敌卖国的汉奸行径，真所谓极人类历史上‘寡廉鲜耻’之尤！”