與此同時，日軍在攻陷漁洋關后，又于5月24日攻占了都鎮灣。當敵第三十九師團向我江防軍正面強渡，遭到我第十三師抵抗受阻后，5月24日，該師團之吉武部隊與竄抵西流溪的日軍濱田部隊會同，夾擊我十三師。我十三師已連日苦戰，傷亡甚重，5月25日乃向偏巖潰退。至此，日軍云集長陽地區，自然形成由東南轉向西北包圍我石牌要塞之態勢。
25日晚，日軍各路部隊逐漸向石牌外圍我軍陣地步步逼近。在地勢險峻的天柱山，日軍遭到我一二一師的阻擊，便改道橫越天柱山北上，向木橋溪進犯，在天柱山又遭到我五師一部的阻擊。由于五師官兵英勇作戰，接連打退日軍10余次沖鋒，致使日軍進攻受阻，使敵從側后攻擊石牌的企圖無法得逞。
五師十三團在木橋溪、墨坪、香花嶺一線頑強抵抗。5月29日，日軍4000余人，在十余架飛機支援下向墨坪進犯。當時十三團二營一排堅守前沿陣地。日軍竟押著人質向我陣地逼近，我方官兵不忍開槍，結果導致陣地被敵人突破。
負責防守石牌的第十八軍，共轄第十一、十八兩個師，當時軍部駐在石牌以西的望州坪，十一師扼守要塞核心，十八師掩護側翼陣地。上陣前，十一師師長胡璉舉行誓師，更和官兵寫下遺囑，決心與石牌要塞共存亡。
5月28日，日軍向十一師第一道防線、右鄰第十八師陣地先后發起5次沖鋒。戰至黃昏，十一師八連、九連陣地被突破，而七連陣地始終堅守，并予敵以重大殺傷。
日軍見屢攻不下，遂于第二天上午用炮火和飛機進行狂轟濫炸，給我方陣地造成很大傷亡。第三天，日軍又在飛機支援下繼續向我七連陣地攻擊，掩體和工事都被破壞殆盡，但該連官兵仍堅持戰斗，直到我軍再次反攻。第七連奉令撤離時，陣亡官兵達四分之三。
5月29日，日軍分兩路向我第十一師陣地大舉進犯。中國軍隊與數倍于我之敵在牛場坡激戰竟日。日軍為攻占主峰大松嶺，在飛機支援下向我陣地發起數次沖鋒，雙方均傷亡慘重。胡璉命令全體官兵“死守陣地，戰斗到最后一個人，流盡最后一滴血”。但終因眾寡懸殊，中國軍隊撤離牛場坡。
誓死守土
與此同時，日軍第三師團越過桃子埡，向橋邊南之天臺觀我第十八軍陣地進犯，天臺觀是我軍的制高點，經過激戰，日軍在陣地前丟下300具尸體。敵人增援后，又調來飛機助戰，駐守天臺觀的我一個排的戰士，死守陣地，與敵肉搏，最后全部壯烈犧牲。
攻下天臺觀后，日軍開始向我第十一師二線陣地突進，逼近石牌前沿。這一帶崇山峻嶺，日軍重武器無法施展，便用飛機低空轟炸以代替炮擊。5月30日，日軍向石牌要塞強攻。正當戰斗最激烈時，陳誠打電話問胡璉：“守住要塞有無把握？”胡璉回答：“成功雖無把握，成仁確有決心！”在曹家畈附近的高家嶺上曾有3個多小時聽不到槍聲，這并不是停戰，而是敵我雙方展開了一場悲壯的肉搏戰。
攻擊三角巖、四方灣之敵竟施放毒氣。中國軍隊無防化設備，用血肉之軀與敵相拼，最后將敵殲滅殆盡。八斗坊之爭奪，是整個戰役最為激烈的地方。敵每一寸土地的進展，必須付出巨大代價。我軍浴血奮戰，擊斃日軍近2000人，陣地前沿敵軍的尸體堆成了金字塔。
在激戰中，一股日軍曾一度鉆空隙繞過石牌，沖到距三斗坪僅60里的伏牛山。胡璉當即命部下將青天白日旗插到最高峰上，并嚴令守軍不得后退一步。
戰斗中，我空軍與美國十四航空隊（飛虎隊）的飛機也頻頻出動，配合地面作戰。在戰斗關鍵時刻，擊落日機6架。守衛要塞炮臺的100余名海軍官兵也沉著應戰，運用火炮、漂雷、煙幕“三結合”戰術，有力地遏制了敵艦敵機的進犯。
日軍鑒于久攻不下，且傷亡慘重，攻勢銳減，而我軍卻越戰越勇。5月31日晚，日軍紛紛掉頭東逃，我江防軍及各路友軍立即轉入反攻，追殲敵人。6月3日，江防軍一線完全恢復戰前態勢。這次戰役，我軍共斃傷日軍7000人，占鄂西會戰中日軍死傷總數的三成以上。我軍在日本“王牌”陸軍面前沒有后退，粉碎了日軍攻打重慶的部署，遏制住了日軍肆意踐踏的鐵蹄。
抗日戰爭時期，地處長江三峽的湖北宜昌是國軍抵抗日寇、保衛陪都重慶的橋頭堡。除了著名的石牌保衛戰之外，早在抗戰開始不久的1938年，這里就發生了被譽為“中國的敦刻爾克”的“宜昌大撤退”。這場為保存人員、大型設備、器材、軍工物資的戰略大轉移，是由民生公司總經理盧作孚指揮船隊，冒著日軍的炮火和飛機轟炸完成的。而著名的抗日將領張自忠將軍，則犧牲在宜昌的另外一場戰斗——棗宜會戰中。5月16日臨犧牲前，他掏出筆向戰區司令部寫下最后近百字的報告：“我力戰而死，自問對國家對民族可告無愧，你們應當努力殺敵，不能辜負我的志向。”抗戰期間，中共地下黨組織負責人陶鑄等在宜昌開展抗日救亡宣傳。宋慶齡、宋美齡、宋靄齡三姐妹也同樣飛抵宜昌，慰問抗戰傷兵。
