但本來就有意「邊攘外邊安內」的蔣介石，怎麼可能答應讓這三個「刺頭」聚在一起？三個方面軍後來被安插到了三個戰區；不僅如此，劉湘出川前的最低要求——川軍必須要放在一起使用——也被蔣介石拒絕了。川軍一出川，就被以軍和師甚至團和營為單位，分散到了各個戰區，接受各個戰區司令長官的指揮。可以說， 川軍一出川， 劉湘就已經失去了控制權。接下來，全靠四川子弟兵們自己，證明自己了。
川軍前進上海：松滬會戰
川軍出川的第一仗，就是被稱為「絞肉機」的淞滬戰場。1937年9月，川軍第二十軍在楊森率領下，進入淞滬戰場——當時，沒人看好這支部隊。川軍當時在全國軍界，被稱為「中國最糟糕的軍隊」，或「雜牌軍中的雜牌軍」。因為川軍的軍事素養一般，裝備更是非常差。幾十萬川軍，短褲、草鞋，背著「老套筒」（開幾槍可能就啞火了），甚至背著大砍刀，就熱血沸騰地出川了。而楊森的第二十軍，更是川軍中裝備最差的一支部隊，以二十軍第二十六師為例，一個連有八、九十人，只有一挺輕機槍和五、六十支步槍，有的步槍的槍柄是用麻繩繫著的，以防脫落。
這支部隊，9月1日從貴州出發，沒有交通工具，穿著草鞋，每天白天徒步行軍100 多公里，夜裡再自己編織新的草鞋，晝夜兼程，到了湖南才坐到了船。坐完船再換火車，經歷了40多天的顛簸，10月12日才抵達淞滬戰場。剛剛抵達，二十軍就被投入到慘烈絞殺的上海大場一帶的陣地。
軍長楊森視察陣地時，發現日軍的火力裝備遠在簡陋的川軍之上——別說川軍，就連德械裝備的中央軍也完全不能匹敵。但他依然做了一番戰前訓話：「我們二十軍是川軍中的鐵軍，是全國聞名的勇敢部隊，所以才調到上海來對日作戰。我們這次打的是國際戰，是最光榮的！如果上海這一仗抵不住，我們就要亡國，我們要為國犧牲，這是最光榮的！」
面對日軍排山倒海的攻勢和漫天炮火，還沒來得及休整的二十軍接替友軍防務，迅速進入陣地。一時之間，很多四川士兵這輩子都沒見過的巨大火力，鋪天蓋地向自己傾瀉而來。日軍一輪炮火轟擊，川軍有時整個排就被炸死在戰壕裡。傷亡巨大，但二十軍死戰不退。
二十軍第一二四師第八〇五團團部少尉見習官胡憶初後來回憶：「深約2米的戰壕，在戰爭開始時，人們還要站在踏腳坑上才看得出去，隨後戰壕逐漸被戰士的血肉填滿了，此時死屍堆積竟比戰壕還高，活著的人是用先烈的血肉做掩體，繼續打擊敵人的……全團數千人參戰，最後只剩下150 人。」
裝備最惡劣的二十軍第二十六師打到最後，全師四個團長，兩個陣亡。14 個營長，傷亡13 個，連、排長共傷亡250餘名。每個連留存下來的士兵僅三、五人，最多不過八、九人。全師四千多人，這場仗打完僅剩下600 多人，但最終還是堅守住了陣地。這個被人看不起的師，成了淞滬戰役中戰績最好的五個師之一，全師五千人，撤離戰場時僅剩600 多人。
