1943年5月，宜昌失守，战时陪都重庆陷入危机之中，看到入峡西进希望的日本人也立即组织其湘西会战，企图打破重庆的江防！此时，石牌地区成为了重庆唯一的屏障，一旦被攻破，则重庆有累卵之危。蒋介石指出，石牌乃中国的斯大林格勒，是关系陪都安危之要地。而湘西会战也进入最后的决战时刻！
作为山地战专家，胡琏当仁不让的成为了这一战的实际指挥者。早在大战爆发前，他就利用石牌一代的地形优势，修筑了很多防御工事，形成了一种可进可退的阵势。他还用修改地图迷惑日军、建立伏击圈和阻击线的方法阻挡日军的进犯。
1943年5月24日，日军在突破石牌外围防线后，准备对石牌要塞发起进攻。5月28日，日军派出两个师团向石牌要塞推进，并在5月30日开始了对石牌要塞的强攻。
此后，18军第11师官兵在师长胡琏的率领下，在大小高家岭与日军展开惨烈的白刃战，并且在八斗坊的战斗中重创日军；空战中，中国和美国的空军曾经在战斗关键时期击落数架日军战机，长江之上，守卫炮台的100余名海军官兵也沉着应战，有效遏制了日军军舰的入侵。
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，我军打死打伤日军达7000人，缴获器械无数。
石牌保卫战是抗战的重大军事转折点，西方军事家誉之为“东方斯大林格勒保卫战”，甚至被西方军校写入了教科书。