第二天，日军出动了五架飞机，又调来了五门重炮，对着伤兵满营的七连阵地狂轰滥炸，山头已经被削平了，山顶上能够燃烧的东西全在燃烧，连石头也是滚烫滚烫的，七连修筑的阵地全部被炸毁，整个山头都被炮弹掀翻了，又铺了一层新土。姜明生说，战争结束后，他看到山上有一棵一搂抱粗的树上有23个枪眼和弹孔。
日军停止了轰炸，士兵端着刺刀冲上来，他们以为七连已经全部被炸死了，没想到七连的伤兵们从土层里钻出来，抖落抖落身上的尘土，举枪就打，日军又倒下了一层。
这是鄂西会战自开战以来，最为激烈悲壮的一场战斗。
第三日夜晚，日军第十三师团和第三十九师团纷纷赶到石牌前线，第七连为了保存有生力量，趁着夜色，放弃了南林坡阵地，悄然撤离。当时，第七连仅余三十余伤兵，相互掺扶着走下山坡，月光照耀在他们的脸上，人人脸上都涂着一层血污，身上的衣服，已被火烧得褴褛残缺。迫击炮排伤亡殆尽，机枪排仅剩一人，而七连撤离时，所有机枪都带在身边，没有给鬼子留下一挺。
天亮后，日军越过南林坡，进攻一座叫做闵家村的村庄。这座村庄扼守着通往石牌的小道，要进攻石牌，必须经过此村。姜明生说，村庄的老百姓早就迁移了，只留下了一座空村，中国军队在村庄里挖掘地道，纵横交错，四通八达。这座村庄，数千人反复争夺，数次易手，房屋墙壁全部被炸毁，村庄所有树木被炸断。后来，日军付出了惨重代价，依靠优势兵力才终于占领了村庄，刚坐下来，还没有来得及喘口气，埋伏在地道里的中国军人突然一齐冲出，又将日军赶了出去。
后来，日军调来飞机，对着闵家村狂轰滥炸，中国军队被迫撤离。而这座村庄，因为全部变成废墟，战后再也没有恢复重建。
从南林坡到石牌村，日军每行进一步，都要付出惨重的代价。横山勇坐镇宜昌，严令日军即使全体玉碎，也要占领石牌。后来，有关方面的资料显示，与胡琏的十一师对阵的，是日军第三、第十三、第三十九共三个师团各一部的三万人，还有几十架飞机，几十门重炮，而十一师，只有凭险据守死战不退的八千子弟兵。
日军攻打朱家坪的时候，中国军队一个营在拼死坚守，营长游国祯被敌机炸成重伤，不能行动，可他仍然抱着一挺机枪阻击敌人，后来，敌人被打退了，战士们看到游国祯歪倒在机枪边，流尽了最后一滴血。十一师的弟兄们在每一道关隘，每一道峡谷，每一座山包，每一块岩石后阻击日军，没有一个投降敌人。
四房湾处于十一师防线的中段，日军集结重兵，猛攻四房湾。如果四房湾被占领，十一师就会被切为两段。守军苦战竟日，伤亡过半，几近弹尽粮绝，情况万分危急。守军向胡琏请求援兵，胡琏派伤病在身，尚未痊愈的三十二团副团长李树兰前去解围，而前去解围的部队，只有一个班八个人，这一个班是留在胡琏身边的仅有的预备部队。胡琏对李树兰说：“全线激战，我只能给你一个班。活着回来，回来后一起喝酒。”李树兰答应一声，就带着一个班的士兵冲出去了，黄昏时分，缺口被堵住。
第四日，守军各个阵地都被突破，三个师团的所有日军像潮水一样涌向石牌，所有的火力也对准了石牌，横山勇严令日军不惜一切代价，从十一师手中夺取石牌。
战争进入了前所未有的严酷。数万名日军像蚂蚁一样漫山遍野冲上石牌，呐喊声与枪炮声响彻山谷。胡琏屹立在指挥部，凝望战场，一动不动。陈诚的电话打来了，他牵挂着石牌的安危，询问胡琏：“守住石牌有无把握？”胡琏斩钉截铁回道：“成功虽无把握，成仁确有信心！”十一师八千子弟兵，上至师长，下至战士，同仇敌忾，拼死一搏。他们早已将生死置之度外。
战至中午，一股日军绕过石牌，窜入要塞后方的伏牛山谷，胡琏命士兵将一面军旗插在山巅上，严令任何人也不能越过这面军旗。日军看到有隙可乘，像蝗虫一样从四面八方涌向山谷，中国军人也赶去围堵。石牌村的村民说，刚开始，还能听到枪炮声一阵紧似一阵，后来，枪炮声稀落了，再后来，就彻底听不到枪炮声了。
中日双方士兵展开了最原始，最残酷，最血腥的白刃战。
此时，枪炮已经显得多余，双方纠结在一起，缠绕在一起，鲜血飞溅，你无法分清是自己的还是别人的；身边不断有人倒下，你无法分清是自己人还是敌人。双方像两股洪流，在激烈地碰撞着，都想将对方挤出山谷。无数双脚踩踏着大地，尘土升腾，遮没了天空。无数把刺刀挥舞着，刺向穿着不同颜色衣服的躯体，不管他是谁。
村民们说，枪炮声静寂了三个小时。
三小时后，占据了优势兵力的日军居然被中国军人挤出了山谷。中国军人保家卫国的意志，战胜了日军的武士道。
黄昏时分，厮杀仍在继续。中国军人和日军都使出了最后的力气，都已精疲力竭。
5月31日午夜，石牌突然一片静寂，静寂得令人心悸。一轮圆月升起来，挂在凤凰山巅，月华如练，静静地泻在默默流淌的江面上。
冯学佑说，那一晚，他一夜未眠，不知道战场上发生了什么事情，天亮后才知道，日军退却了，退却得实在太突然了。
这就是石牌保卫战。最终，胡琏的十一师在长江西陵峡的石牌村，依靠难以想象的意志力，扭转了整个鄂西会战的战局，让日军踏入陪都重庆的一只脚，又不得不缩了回去。此后，日军再也无力打通通往陪都的道路，直到抗战胜利，重庆都安然无恙。
战争的成败，决定于最后的五分钟。谁坚持到了最后的五分钟，谁就取得了胜利。
《陈诚回忆录》对石牌保卫战也有详细的记录：
5月29日，敌军攻势已达最高潮，石牌要塞前，敌军攻势甚烈。是晚江防军吴总司令（奇伟）请求变换阵地于庙河南北之线，经我审慎考虑后，决心贯彻原定计划，令江防军竭力守备原阵地，不得变更。并为减轻江防军正面压力，同时命令各部提前反攻：九十四军向都镇湾，七十四军向松滋、枝江，四十四军向公安，并令三十三集团军加紧攻击当阳。其余后续兵团如三十军、一八五师、一四一师等各部，兼程向指定地点前进，及早加入作战。
是时，攻击石牌要塞之敌军，死伤极重，但仍强攻不舍。我当与胡师长通电话，告以委员长命令，胡师长回答得好：“请放心，我誓与要塞共存亡，以保持十八军荣誉。”这两句话确实让我放了很大的心。
至30日，敌军攻势已告顿挫，根据各方情报及我空军侦察的结果，判断敌军有退却模样，当晚即下达追击命令。31日各部开始进击，进展甚速。于长阳、聂家河、枝江、宜都、茶店子等地，先后遮断敌人，几经激战，斩获甚众。至6月3日，江防军已完全恢复会战前之态势。九****军克复枝江，十二日克复松滋，十四日克复公安。至6月中旬，除藕池口一地外，江南方面一律恢复原来态势。鄂西会战至此遂告胜利结束。
统计是役所获战果如下：一、毙伤敌三万余人；二、俘获：人员35名、马骡81匹、武器弹药等无算。
石牌保卫战，十一师到底歼灭多少日军，有说是7 000名，有说是5 000名，这已不重要，重要的是，十一师击退了日军，守住了通往重庆的大门。
还有，此役，日本精锐第十三师团被打残。原定于鄂西会战结束后，第十三师团开赴太平洋战场，而鄂西会战结束后，十三师团伤亡过半，已不再适应太平洋战场上的惨烈厮杀，只好驻扎江西。这支曾被冈村宁次视为中国战场上最强悍的师团之一，参与了南京大屠杀的虎狼之师，直到抗战结束，都鲜有战绩。
当时，世界各大新闻机构都在报道石牌保卫战的胜利，中央社伦敦6月6日路透电，路透社远东观察家谓：日军最近在华所遭受显著而可耻之失败，乃中国于第六年对日作战期间一有意义之新页之开始。华军获得空军配合作战，可谓以此为第一次。日军十六万人拟溯江而上，直趋重庆，但此项企图，宣告粉碎，损失人员达三万余，并沿长江二百英里之全线溃退……
7月1日，******来到恩施，表彰鄂西会战中的英雄，他评价说：“鄂西大捷是中国抗战以来一次决定性的胜利。”
十八军十一师在石牌保卫战中，一战成名天下知，成为抗战中一等一的中国部队。
石牌保卫战结束后，胡琏升为十八军副军长。胡琏是一员儒将，他说过，他一生有两大爱好，一为读书，一为打仗。如果不是战争，知识渊博的胡琏可能会是一名大学老师，或者一名作家。
1943年夏天，与胡琏同为黄埔四期的将星们都走上了历史的前台，第八军副军长李弥驻守云南，防范日军，他在山岩上刻“还我河山”以激励部下，报仇雪耻，不久，李弥就走在了滇西抗战的最前沿；师长张灵甫随同七十四军激战在湖南战场，被称为“抗战救火队”的七十四军，每战必重创日军；师长彭士量正在开赴常德的路上，那里，一场同样惨烈的保卫战即将打响……
