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在特别军委制定的作战计划中，各区纠察队夺取的主要目标是什么，每一次攻击需要采用什么样的方法，都列得清清楚楚，明明白白。由于军事准备认真细致，包括沪东、沪西、吴淞区在内，六个区的战斗都很顺利，也基本都在白天结束了战斗。
起义中真正遇到的坎，还得数敌人兵力最为集中的闸北区。闸北是上海火车站的所在地，鲁军为了便于撤退，在闸北设了二十多个据点，其中重要据点即有六处，这使闸北成为了战斗最激烈、持续时间也最长的一个关键作战区。
作战时，起义总指挥部就设在闸北商务印书馆的职工医院内，周恩来、赵世炎均在指挥部内直接进行指挥。他们采取各个击破、先易后难的策略，先逐一攻下敌人力量较为薄弱的广东街警察分署、中华新路警察分署和湖州会馆，最后才集中力量，全力猛攻第五区警察署、北火车站、东方图书馆这三个“硬骨头”。
负责进攻第五区警察署的是商务印书馆工人纠察队，共六百多人。该纠察队曾参加过前两次武装起义，任其祥等队员还通过加入保卫团的方式，获得了更多的军事技术和武器，称得上是起义的骨干力量。不过在他们发起战斗之前，警署已将前后门紧闭，同时在窗口架起机枪，如果一味硬冲，就算付出很大伤亡，也未必能够冲进去。
纠察队长徐文恩观察地形后，决定智取，他将队伍分成两路，一路爬到旁边居民的房顶上，从警署后门进行包抄，另一路由自己率领，佯攻正门，以吸引敌人的火力。
印书馆的工人平常总免不了要跟油墨打交道，佯攻正门的队员灵机一动，把鞭炮放在油墨桶里点了起来。鞭炮在空桶里乒乒乓乓地爆炸，有如连续不断的机枪声。接着他们将大铅皮放在阳台上敲击，又制造出了“炮声阵阵”的效果。
警察署长杨小亭闻之惊恐不已，急忙下令开枪还击。见已吸引住敌人的火力，徐文恩冒着弹雨，一个人冲到警署大门前，用太平斧猛砍警署大门，一边砍一边大声喊：“你们被包围了，快投降吧！”
杨小亭听到喊声，害怕大门被冲开，赶紧把守卫后门的机枪调到前门来进行阻击。等机枪等火力一被调走，埋伏在后门的纠察队立即用手榴弹炸开围墙，冲进警署内。与此同时，攻打正门的纠察队也用斧头和铁棍砸开大门，蜂拥而入。
占领警署后，有个队员看见徐文恩手中握着太平斧，犹紧靠在前门门柱之上，便对他说：“徐队长，警察署攻下了！”
徐文恩半天没有回答，队员上前仔细一看，发现徐文恩身上布满弹痕，原来他早就已经牺牲了！
第五区警署尚是三个“硬骨头”中相对而言比较好“啃”的，其它两个据点更加棘手。东方图书馆有鲁军的军需处，在起义的前两天，毕庶澄特别加派了兵力。敌人紧锁着图书馆正面的铁门，看到有人靠近就从楼上居高临下地开枪。
纠察队难以接近铁门，便用梯子和搭起的桌椅翻越后面的围墙，但几次都没能冲得过去，还伤亡了不少人。
周恩来听到情况汇报后，立即制止了纠察队的做法，认为：“你们这样上去跳墙，容易暴露，牺牲太大。”有人建议用火攻，但他深知东方图书馆内藏书丰富，乃国之瑰宝，因此也不同意。
反复权衡之后，周恩来决定改强攻为“围而不打”。在他的指挥下，纠察队在东方图书馆所在宝山路的东侧，开挖出了一条一百多米长的交通壕。队员们藏身于交通壕中，对敌人进行严密监视。敌人躲在据点里装乌龟便罢，但凡一露头，便予以猛烈射击。
北火车站（北站）堪称“硬骨头”之最，毕庶澄视这里为进退要冲，不仅将主力集中于此，还亲自坐镇进行指挥，从而在北站前沿组织起了以机枪、迫击炮、装甲车组成的坚固防线。
北站的地形对纠察队展开进攻也非常不利。它一面紧靠租界，其余各面均是开阔地，进攻者无法实施迂回包抄，同时附近的大片民房又早已被鲁军纵火破坏，进攻时难以隐蔽。纠察队几次对北站发起冲击，均未能取得成功。
为了尽可能减少伤亡，周恩来下令对北站暂取守势。于是纠察队便以轻机枪作掩护，在虬江路至北站之间修建了三道防御工事。
下午四点，除闸北外，其余各区的战斗都已相继结束，总指挥部也移往离北火车站更近的第五区警察署。周、赵决定把各区的纠察队都调到闸北参战，但由于租界隔绝，最后只有沪东、沪西能够来援，加上闸北、公共租界，总共有四支纠察队集结于闸北。
这时吴淞区送来了一个紧急情报：有一列铁棚车正由吴淞开回闸北，上面载有五百名全副武装的鲁军士兵，且备有数挺轻机枪。
这批士兵原先驻扎于闸北一带，看到上海爆发工人起义，便乘车前往吴淞，打算从海上逃跑。当列车行至吴淞附近时，他们发现工人纠察队占领了吴淞，有一段地方路轨也断了，才不得不掉头折返闸北。
接到情报，周恩来感到事态严重，立即召集会议进行研究，得出的结论是绝不能让列车进入闸北。因为一旦这批鲁军闯进来，不但可能冲破北站的虬江路防线，而且在他们与北站的守敌会合后，还会大大增加纠察队攻击北站的难度。
周恩来离开座位，来到地图前，把目光集中于地图上的一处地点，随即下达命令：“选择靠近市区的天通庵车站附近组织伏击。”