到了5月30日，外围阵地陆续失陷，蒋介石下令指定第11师孤军固守石牌要塞，作为反攻时的支撑。而为保存现有实力，江防军总部通令其余江防军各部一律向野山关西撤，第18军军长方天就率11师以外的18、暂34师及13、139师等部向茅坪移防，组织第二线防御，等到其他战区的援军到达后，再进行反攻，以图全歼己被11师拖疲的当面日军。
已劳师远征至此的日军绝不放弃最后即将到手的胜利，便集中3、39师团的全部兵力及现有的最大火力向孤立无援的石牌要塞进行前所未有的誓死强攻，宣告石牌争夺战进入最后艰苦而至关重要的决战阶段。敌在空军掩护下，分成若干小股向中国守军阵地猛攻，只要有一点空隙，日军即以密集队伍冲锋，作锥形深入。当战斗激烈时，陈诚在恩施打电话问胡琏：“守住要塞有无把握？”胡琏当即斩钉截铁地答复：“成功虽无把握，成仁确有决心！”其英雄气概可见一斑。
中日两军在此弹丸之地反复冲杀，经历无数次惨烈的战斗，石牌一直还在11师手中
企图迂回三斗坪的日军，当窜到离三斗坪只有五六十里的伏牛山时，胡琏立刻命令部下将国旗插在山的最高峰上，严令官兵不许退后一步，并电话告之前线将士：“打仗要打硬仗，此仗定要使敌人见识见识中国军队的作战精神。”
国民党军第11师官兵在胡琏的指挥下沉着作战，每待敌军接近，辄以猛烈火力与突然逆袭加以阻击，战果显赫。在曹家畈附近的大小高家岭上曾有3个小时听不到枪声，这不是双方停战，而是敌我两军扭作一团展开肉搏战。攻击三角岩、四方湾、高家岭之敌1000余人，为争夺制高点黔驴技穷，一度施放催泪瓦斯弹。中国守军无防化设备，用血肉之躯与敌近战肉搏相拼，竟奇迹般地将敌歼灭殆尽。八斗方之战，是此次战斗中打得最为激烈的。敌军的每一寸土地之进展，必须付出同等血肉之代价。两军在此弹丸之地反复冲杀，日月为之黯然失色。中国守军浴血奋战，击毙日军近2000人，阵地前沿敌军尸体呈金字塔形。中央社向全国播发消息称：“宜昌西岸全线战斗已达激烈，每一据点均必拼死争夺。”这是当时战役的真实写照。
在石牌保卫战的日日夜夜中，中国守军就是凭这股精神与敌搏杀。该部日军，当即被埋伏在北斗冲、三官岩、四方湾的第11师主力，从四面八方一拥而上，将其团团围住。机枪、步枪、手榴弹、追击炮响成一片，喊杀声响彻云霄，日军1000余人被堵在这条石谷中进退两难，最终全部被歼。11师乘机立即组织逆袭反击，用刺刀、手榴弹与日军展开肉搏。在日军休息补充时，11师派出小分队展开袭击骚扰，不给敌以喘息之机。11师还迂回到日军的后方，展开伏击、侧击、偷袭，组织一些特等射击手，专打日军的指挥官和机枪手。经历了无数次惨烈的战斗，石牌一直在11师手中。
该战的最终胜利，挫败了日军入峡西进的美梦，粉碎了日军攻打重庆的部署，遏制住了日军肆意践踏的铁蹄，是中华民族抗日战争重大军事转折点。基于此点，它被西方军事家神话般誉为“东方斯大林格勒保卫战”。确立为世界军事史上中华民族反法西斯取得胜利的著名战役，并作为世界第三大军事战例纳入各大军校教材。
为配合陆军作战，保卫石牌，中国空军和美国盟军战机频频出动，在战场或战场附近对日军进行攻击，断敌增援和补给。5月29日，中国空军攻击了宜昌城，炸死日军9人、炸伤25人；30日又攻击了宜昌东之日军土门垭机场，炸毙日军2人，炸毁飞机1架；5月31日，在石牌大战的最后时刻，中国空军与地面部队联合作战，同日军飞机展开激烈的空战，击落敌机6架。空军出动，大振了中国守军的士气。石牌要塞的海军官兵，除不断向长江江面布放漂流水雷，阻止日军舰船溯江西上与陆军协同外，他们坚守炮台战斗岗位，沉着应战，任凭日军飞机、大炮猛烈轰击，临危不惧，决心与炮台共存亡。
至5月30日，充当主力的中路日军久攻石牌的攻势顿挫，损兵折将惨重，信心完全丧失。而后路渔洋关已被10集团军87军之新23师一举克复，再不撤退，顿兵于坚固堡垒之下，惟恐截断退路。横山勇眼望连天群峰，莽莽穹窿无计可施，同时在27日已达到夺船的战略目的，只得下令收兵北撤。到了5月31日夜晚，战场上的枪炮声突然沉寂下来，进犯石牌之敌纷纷掉头东逃。石牌要塞虽历经烽火，但仍屹立在西陵峡之滨，固若金汤，如同一座铜墙铁壁。
此次石牌大战，我军毙伤日军达7000人，其中击毙步兵第217联队第1大队长广濑义福以下3000余人，缴获器械无数，击落日机多架。石牌几千名百姓欢呼雀跃，奔走相告，庆祝石牌保卫战大捷。
此时第11师周围之友军已全数后撤，而奉命固守要塞的11师就在孤军奋战的情况下，为保证这个将来可作为反攻的支撑点，一直坚持到6月2日国民党军展开全面反击并彻底击败日军为止。此役中日双方精锐尽出，志在必得。中国军队英勇作战，打出了“王牌军”的威风。
战后，师长胡琏因固守石牌要塞有功，被授予青天白日勋章，有人称胡琏为“中国的崔可夫”。其所属之团、营长也各获得了奖章。