7月19日，日军对江阴县进行空袭，一枚炸弹在江阴东南乡学社爆炸，揭开了江阴战役的序幕。
上海战事爆发后，日军对江阴要塞极为重视，视其为海军主力的掩护，认为封锁该要塞能影响南京的空中作战并威胁长江下游的舰队。日军第3舰队准备动用联合航空队，先以舰载机压制，再以主力攻击平海舰和宁海舰。然而，兵力不足限制了计划的执行。
在芦沟桥事变后，陈绍宽部长回国主持海军抗战，首要任务是封江。1937年8月11日，海军部派出多艘舰艇破坏江阴周边的航标。海军主力舰队集结于江阴，等待自沉的命令。舰龄过大的通济舰、大同舰等被首批自沉，构成江阴封锁线。
在战斗中，永健炮舰首遭空袭沉没，显示出中国海军在面对空袭时的困境。8月16日，舰队首次进行防空实战，尽管击落了侦察机，但弹药供应紧张。19日，日军开始发动更为猛烈的攻击，舰队与江阴要塞进行了15分钟的防空炮战，日机技术生疏，未造成严重损伤。
8月20日至22日，日军尝试夜间空袭，但效果不佳。9月19日，长谷川清下令对南京进行轰炸，舰队保持警惕。9月20日，日军再次投弹，但被舰队成功拦截。21日，因天气原因，攻击计划中止。
在战斗中，中国海军的防空能力受到考验，尤其是缺乏夜间防空设备和弹药。虽然多次击退日军，但损失也颇为惨重。9月22日，日军再次发起攻击，但被海军成功击退，显示出了顽强的防守能力。
江阴要塞北扼长江、南控太湖，自古就是兵家必争之地；抗日战争中淞沪会战结束后作为江南沪宁线上的交通要道、长江咽喉，自然成为了中日双方交战的主战场。江阴是中国海军的重要基地、长江咽喉，经过参谋本部5年的经营，被誉为东方马奇顿。江阴保卫战自1937年8月16日拉开序幕开始至1937年12月2日江阴防线失守，前后共历时108日。江阴海战是抗日战争中罕见的陆海空三栖立体作战，也是抗战期间唯一一次海军战役；长年威震中国海疆的舰队，一部分在烟台自沉，主力则全数沉在江阴，是中日甲午战争以来最重大的损失。