自10月26日起，留守倉庫之中國士兵們開始與日軍展開四天拉鋸戰[5]:122。
10月27日
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主力部隊正在馬不停蹄西撤，孤軍固守四行倉庫注定沒有援助[5]:122。当晚各连分批穿过前线，杨瑞符命令一连去四行仓库，自己带领二连前进。而三连、机枪连和一连第三排士兵无法联络。直到第二日上午9时，他们才到达四行仓库。他们是在随大部队撤退途中，得到有关一营留守四行仓库的消息[9]。謝晉元曾告訴部下：「本軍所奉的命令就是要死守四行倉庫，與最後陣地共存亡。所以這個四行倉庫就是我們四百多人的墳墓，我們全都要戰死在這裡。我們中間只要還有一個人在，就要堅守陣地，和敵人拚死戰鬥到底！」[5]:122之后他们这种志愿参加“自杀行动”的精神，被蒋称为英勇行为的典范[7]。
早上時分，有关中国军队仍在四行仓库保卫闸北的消息在上海传开。这引起中國童子軍楊惠敏关注。凌晨4点左右她听到枪声便沿苏州河行走，她發現英國士兵向倉庫丟了一袋香菸。英軍告訴楊惠敏，四行仓库裡中国守军要死守[10]:82。於是她要求附上她自己的紙條，不久後倉庫傳回紙條，說明他們需要彈藥與食物。楊惠敏向上海商會求助，不過對方並不相信[13]。回到住處，到晚上楊惠敏脫下童子軍制服，將一面青天白日滿地紅旗緊緊纏在身上，再罩上制服[10]:82。
谢晋元将一连沿西藏路部署在四行仓库右翼，三连在左翼交通银行倉庫大楼对面，二连在中央担任四行仓库外围之守备。將士們利用倉庫內之麻袋構建防禦工事，封閉門窗以方便射擊，破壞照明系統以隱蔽部隊[5]:122。机枪连除以两挺布置在楼顶担任防空其余分配一、三两连完成全营火力网的编成[9]。苏州河北路有原为防御租界内欧美军队的防御工事，但工事的枪眼是向现在中国守军方向开的。为了防止日军利用，中国守军便在其中埋下炸药，后日军进入其中，中国守军引爆炸药而对日军造成伤亡[9]。
守军用仓库内的沙袋、装玉米、大豆和其他货物的麻袋构筑工事。并将楼内电灯全部破坏以便隐蔽，焚烧四行仓库周围房屋[9]。
上午7时，日军上海特别陆战队第十大队开至上海北站，到午后1时开至四行仓库附近。约十名日军接近防御工事进行侦查，很快被击毙。午后2点由第三連排长尹求成带领的一队中国侦察兵与约50名日军交火。之后不久一个连的日军从西侧发动进攻，三连连长石美豪面部中弹但继续指挥战斗直到腿部再次中弹。大约七十名日军进入仓库西南墙根中国军队火力死角，中国守军便爬上楼顶向其投掷迫击炮弹及手榴弹，炸死日军七名伤二三十名[9][14]。在第一波攻击失败后日军向储有燃料及木材的仓库西区放火。下午5时大火被扑灭。同时日军在闸北进行抢掠纵火。
10月28日
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从公共租界拍摄的燃烧中的四行仓库
楊惠敏与中华民国国旗
10月28日早晨出版发行的《申报》、《新闻报》、《大公报》、《中央日报》都采用了中央社27日的报道：“闸北我军虽已于昨晨拂晓前大部安全撤退，但此非谓闸北已全无我军踪迹，盖我八十八师一营以上之忠勇将士八百余人，由团长谢晋元营长杨瑞符率领，尚在烈焰笼罩敌军四围中，以其最后一滴血，与最后一颗弹，向敌军索取应付之代价，正演出一幕惊天地泣鬼神可永垂青史而不朽之壮烈剧戏也。”上海租界的外国报纸则提供了不一样的数据。《大美晚报》、《字林西报》、《上海泰晤士报》等先后有150人、800人、200-250人的不同说法。
四行仓库的位置及建筑结构对守军相当有利。四行仓库临近上海公共租界，日军不敢用海军炮火攻击。他们怕炮弹落入公共租界内，因为日本此时尚未準備好同欧美开战。
上午8时，营长杨瑞符召集全营官长及班长讲话鼓舞士气。10时谢晋元与杨瑞符共同视察工事并观察日军动向。当他们在楼顶上时谢晋元发现一队日军沿苏州河北路移动，据杨瑞符回忆，谢晋元拿起一支枪向其射击，当场击毙日军一名[9]。
下午3时开始下雨，四行仓库周围的火逐渐熄灭。日军在西侧与四行仓库远远对射，两小时后日军放弃进攻，但得以切断四行仓库供电及供水。
當時，430多名士兵在倉庫西側2、3樓，與佔據一街之隔之交通銀行內日軍交火，日軍用加農炮攻擊，令倉庫西牆千瘡百孔[8]。
这期间上海商会得到中国守军仍在闸北消息后相当激动，消息很快通过电台传遍全城。「八百壯士」英勇精神，大大激勵全國軍民抗日鬥志，大批上海市民在雨中聚集在苏州河南岸，为守军吶喊助威[8]。上海市民向守军捐献十多卡车给养[13]。卡车于夜间抵达四行仓库附近，守军用沙袋筑墙到卡车旁，将给养拖至仓库。搬运给养用了四个小时，在此期间三名守军阵亡。守军收到了食物、水果、衣物、器具和市民的慰问信。一队记者也来到了四行仓库，但由于谢晋元与杨瑞符因事繁忙，由机枪连雷连长代为接见。
谢晋元通过上海商会，向英军要求送十名重伤员离开战场。英军同意了此项要求，因此伤员趁夜幕掩护被抬离战场[9]。
同晚上海商会决定向守军送一面中華民国国旗[13][15]。四十一號中國女童子軍楊惠敏在10月28日中夜，冒着生命危險，衝過火線，向四行倉庫守軍獻送青天白日滿地紅旗[10]:80。楊惠敏脫下外衣，将国旗呈獻給他們，他們激動得流下淚，謝晉元說：「勇敢的同志，你給我們送來的豈僅僅是一面崇高的國旗，而是我們中華民族誓死不屈的堅毅精神！」[10]:82-83当楊惠敏问及守军的作战计划时，守军回答誓死保卫四行仓库。楊惠敏十分感动并向谢晋元索取所有守军的名册，并将其通告全国[13]。但为了迷惑日军同时又不使楊惠敏失望，谢晋元让人根据原五二四团的名册伪造了一份800人的名单。謝晉元鼓舞士兵說，我跟你們一起死在四行倉庫；他嘱咐出外就醫之士兵，「有人問四行倉庫有多少人，你們就說有800人，決不可說只有一營人，以免敵人知道我們人數少而更加兇橫」[8]。另据杨瑞符在《孤军奋斗四日记》中对10月28日晚运出伤员的情形有过这样的描述：
“我当嘱咐出外就医的士兵说：你们出去，有人问四行仓库究竟有多少人，你们就说有八百人，决不可说只有一营人，以免敌人知道我们的人数少而更加凶横，后来轰传世界的八百孤军的数目，就是这样来的。我团五二四的团长本来是韩宪元，而今天一般人误称为谢团长，也就是在這八百的数目字而推测出来的。”
这就是“八百壮士”的由来[9]。「八百壯士」之名由此響徹全中國[8]。
10月29日
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外國記者從上海公共租界建築物中所拍攝的四行倉庫保衛戰中，在上海閘北四行倉庫頂樓隨風飄蕩的中華民國國旗
謝晉元臨時用兩根竹竿連扎成旗杆，平台上站一二十個人，都舉手向青天白日滿地紅旗敬禮[10]:83。謝晉元帶楊惠敏參觀各處[10]:83。10月29日早上，上海市民发现四行仓库楼顶升起一面青天白日满地红旗。守军中只有一小部分人参加了升旗仪式[13]。而苏州河对岸聚集的群众据说超过三万人[16]，紛紛向四行倉庫屋頂迎著朝陽招展之青天白日滿地紅旗招手欢呼[10]:84。日军开始对中華民國国旗发动空袭[9]。
中午，日军发动迄今最大规模攻击。加农炮和轻装坦克从各个方向发动进攻，迫使中国守军第三连从仓库外工事中撤回仓库内。四行仓库西侧本来没什么窗户，而日军的炮击却给守军打开了许多射击孔。一队日军试图通过梯子爬入仓库二楼，谢晋元当时恰好在二楼窗户前。他一手夺过第一个上来的日本兵的枪，另一只手将其推下，之后向第二名日军射击，最后推倒了梯子[14]。一名在战斗中负伤的士兵将自己绑上手榴弹从六楼跳下仓库，利用自杀攻击炸死约二十名日军。战斗直到天黑，此时日军以装甲车和加农炮掩护进攻。最终日军再次失败后，开始用挖掘机向四行仓库挖地道。河对岸市民用大字报通知守军日军的行动[9]。一人甚至在发现日军准备再一次发动进攻后，打电话通知四行仓库守军。
師座鈞鑒：
竊職以犧牲的決心，謹遵鈞座意旨，奮鬥到底，在未完全達到任務前，決不輕易犧牲，成功成仁，熟計之矣。決不有負鈞座意旨，偷安一時，誤國誤民，負鈞座付託之重。外間一切宣傳消息，概自外界傳去，職到此時，從未向外界發表任何要求、任何談話，既抱定必死決心，現除達任務外，一切思念皆無；整個工事，經三日夜趕築，業經達到預定程度，敵如來犯，決不得逞。感（27日）敵攻擊結果，據瞭望哨報告，斃敵在八十名以上，儉（28日）晨六時許，職親手斃敵二名。租界民眾觀看者，咸拍掌歡呼。現職宗旨，待任務完成後，決作壯烈犧牲，一切乞鈞座釋念。
職謝晉元上
十月二十九日上午十時──《中央日報》民國26年10月31日第2版〈閘北保衛者堅守已四日昨晚敵大舉進犯謝團附表示抱必死決心〉
10月30日至11月1日
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10月30日早上7时，日军大部分时间用加农炮再次进攻，只有少数步兵参加。日军试图摧毁四行仓库，由于建筑坚固，沙袋和修理材料充足，守军得以时刻修复。据杨瑞符回忆，加农炮炮火相当密集，平均每秒都有炮弹落下[9]。
10月29日，外籍人士派代表向国民政府递交请愿书，要求以“人道主义原因”停止战斗。10月30日，上海公共租界英軍司令斯馬萊特少將見國軍英勇作戰，深受感動，除購贈糧食給八百壯士充飢外，更親自進入四行倉庫會見謝晉元，建議孤軍自租界撤出，英國駐上海領事願給予最大協助，謝回答：「我們軍人以服從命令為天職，即使撤走，也得要有我們蔣委員長的命令，否則我們寧願戰死。」[17]後來，各國使節團透過外交關係，正式提出照會，要求國民政府下令撤離孤軍，以免日軍重炮射入公共租界，危及各國僑民[18]。对于蒋来说战斗已经胜利，绝大部分中国军队已经撤离，并重新部署到新位置，战斗已经引起西方世界注意。於是蔣響應外國租界停火要求，下令撤離[8]。部队在10月31日撤离四行仓库。上海警备司令杨虎受命与英军將領斯马莱特（英语：Alexander Telfer-Smollett）会面[12]，会议决定第五二四团撤至公共租界，与在上海西部战斗的第八十八师汇合。日军指挥官松井石根表示同意并保证允许中国守军撤退，但事后很快反悔。谢晋元希望能继续留守四行仓库，直到战斗至最后一人。最终，张柏亭劝说其同意撤退[12][11]。臨到奉命退卻時，英軍指揮官馬勒提少將不顧日軍抗議，親自站在他警戒線上之重機關槍陣地上，掩護孤軍通過新垃圾橋[10]:84。10月31日进入孤军营的只有355人[19]。
10月30日午夜，谢晋元带领376人分小队，分批通过新垃圾桥，撤入公共租界[8]，约十人在撤退中被日军机枪打伤[20]。谢晋元376人通过北西藏路，撤入东侧公共租界内中国银行仓库。到凌晨2时，所有守军均完成撤退。
11月1日，谢晋元在孤军营接受中外记者采访时，证实“四行堆栈内，除有若干沙袋外，并无如许尸体，我在内士军，共为四百二十名，撤退时为三百七十七人，其中除有十余名已殉难外，余者受伤入医院治疗中”。
這一役，孤軍堅守最後陣地，力戰四日夜，擊退日軍六次圍攻，日軍死約200餘，孤軍傷亡37人，營長楊瑞符少校彈穿左胸，負重傷[10]:84。