與蔡將軍達成共識後，林源川軍第二軍的布防行動雷厲風行。利用夜幕和複雜地形的掩護，部隊迅速而有序地開進預定陣地，與十九路軍相關部隊完成換防。其防禦部署，展現出了極強的進攻性和縱深防禦思想，核心目標直指日軍可能的主要進攻方向：
第二軍第3師負責寶山至吳淞口一線，這是防止日軍溯江而上、包抄側後的關鍵。
第7團前出至瀏河，建立前沿警戒陣地。
第8團配屬師屬炮兵團（36門77野炮），重點防守寶山縣城、並進入吳淞口炮台控製岸防炮，控製長江航道視野。
第9團為師預備隊，師指揮部設於交通樞紐徐家灣。
第二軍第4師防守蕰藻浜至江灣一線，這是直麵日租界，可能爆發正麵突破戰的要衝。
第10團沿蕰藻浜北岸構築堅固工事。
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第11團防守江灣鎮，並前出至虹口公園附近，與日軍據點形成對峙。
第12團為師預備隊，師指揮部及炮團設於可策應全局的小場廟。
第二軍第5師負責閘北、北站等市中心區域，這裡是十九路軍原核心防區，也是政治敏感地帶。
第13團防守天通庵車站，直麵日軍挑釁。
第14團、15團防守北站及周邊要地，這裡是滬寧鐵路終點，戰略地位極其重要。
軍直屬特務營和搜索營為5師預備隊，師指揮部及炮團設於戰術要點八字橋。
第二軍軍部及軍屬105毫米榴彈炮團（36門）設於交通中心大場，統一指揮全局。林源的前進指揮部則設在廟行，與蔡將軍的十九路軍軍部形成犄角之勢。最強大的打擊力量——155毫米重炮團和戰車第1、2營（106輛坦克）也隱蔽部署在廟行周邊地域，作為決定性的反擊拳頭。
在工兵部隊和官兵日夜不停的勞作下，一道道戰壕、交通壕迅速成型，鐵絲網、鹿砦、雷區、反坦克壕密布前沿，機槍巢、迫擊炮位、反坦克炮陣地經過巧妙偽裝。整個防線猶如一張巨大的蛛網，靜待獵物撞入。
1月23日，十九路軍軍部召開營級以上軍官會議，林源作為關鍵盟友受邀出席。會場氣氛凝重而悲壯。蔡將軍慷慨陳詞：
“諸位！南京來電，要我們效仿東北，忍辱退讓！蔣總司令說，我們槍不如人，炮不如人，訓練不如人，機器工廠皆不如人，拿什麼打？抵抗三天就要亡國！”
他話鋒一轉，聲若洪鐘：“但我蔡廷鍇不是張學良！十九路軍更沒有不抵抗的將軍！上海是中國的土地，我們身後是四萬萬同胞！今日退讓，明日何處是家園？這一仗，不是為了哪一個人，哪一個派係，是為了我中華民族不做亡國奴！縱使粉身碎骨，也要崩掉小鬼子的門牙！”
他並未向南京政府透露林源部的真實實力，隻強調已獲強援，誓與上海共存亡。這番講話極大鼓舞了十九路軍軍官的士氣，統一了死戰到底的決心。
林源隨後發言，語氣沉穩而充滿力量：“蔡將軍所言，亦是林某與全體川中將士之心聲！我部已與貴軍並肩而立，防線一體，榮辱與共！” 他當場宣布，向十九路軍派出10個精通業務、配備最新式SCR-300步話機的電報小組，嵌入其師旅級單位，確保兩軍通訊暢通無阻。同時，他透露了一個重磅消息：“諸位放心，倭寇有飛機，我們也有！我已調集三百至四百架戰鬥機、一百五十至二百架轟炸機於左近，一旦日機來襲，一句話，空中支援頃刻即至！” 此言給十九路軍將領吃了一顆定心丸，雖不知飛機從何而來，但林源所部展現出的裝備和實力，讓他們深信不疑。
1月24日，上海灘聞人杜月笙，因擔憂戰火損及其龐大產業，竟出麵斡旋，要求華夏部隊撤出市區。他親自來到廟行指揮部見林源，言語間軟硬兼施。
林源端坐椅上，冷冷地看著這位“上海皇帝”，隻問了一句：“杜先生，你手下有幾個師？”
杜月笙一愣。
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