位於三斗坪與宜昌之間的石牌要塞，為日軍經由長江進攻四川的必經之地，因此陳誠命令第11師予以死守，就算打到全軍覆沒也不能撤退。至於和彭鞏英的暫編第34師和覃道善的第18師，則負責左右兩翼的掩護工作。胡璉將軍隨即號召軍民共同搭建防禦工事，準備憑藉長江天險在石牌要塞與日軍打一場硬仗。
日軍方面也深知胡璉不是王勁哉，第11師不是第128師，要打掉這樣的中央軍嫡系部隊將面臨一場苦戰。為此日軍大本營陸軍部杉山元參謀總長也坐鎮武漢，指導日軍第11軍對石牌要塞的進攻，就算能給國軍第18軍一次毀滅性的打擊也是值得的。1943年5月5日，日軍獨立混成第17旅團突然向湖南常德方向發起進攻，隨即與湘軍第73軍爆發激戰。
獨立混成第17旅團的行動實際上是為了混淆國軍判斷而發動的佯攻，目的是為了掩護日軍第11軍在5月12日發起的「江南殲滅作戰」。第11軍麾下的第3師團和第13師團從兩個方向進攻駐防公安的第87軍進攻，雖然第87軍是由湖南保安隊改編而成，但是其主力第118師同樣是「土木系」部隊，雙方隨即陷入激烈戰鬥。
拱衛石牌要塞的戰鬥
第87軍與第86軍的弟兄在海軍第2艦隊提供的砲台支援下，英勇頑強的拖延日軍攻勢，卻還是因為部隊損失過於慘重而敗下陣來。日軍在5月25日擊潰了第86軍第13師以後，正式向石牌要塞發起進攻。其中步兵39師團第231聯隊和第3師團68聯隊向第11師的陣地猛撲而來，第11師將士在胡璉將軍的親自指揮下同來襲日軍展開決戰。
史實上的石牌保衛戰，或許沒有如後人喧染的那麼誇張，到了雙方打白刃戰的地步，不過第11師第31團的將士確實在團長尹鐘岳指揮下與第68聯隊的日軍互相丟起手榴彈來。日軍第68聯隊雖然遭遇慘痛傷亡，卻仍在飛機和山砲的支援下攻破數座第11師的據點。所幸尹鐘岳團長沒有服輸，又率領第31團弟兄在29日早上將這些據點奪了回來，中日雙方陷入激烈的拉鋸戰。
此外被擊潰的第87軍第118師也和第18軍第18師合作，持續在石牌要塞外圍對同屬第39師團的第217聯隊和第218聯隊進行有效牽制。他們擊斃了第217聯隊大隊長廣瀨義福，並重傷第218聯隊大隊長野口重義，從側面穩住了第11師在石牌要塞的防線。戰鬥到了30日，第18軍軍部和江防軍司令部開始向後撤退，只剩下第11師在石牌要塞孤軍奮戰。
幸運的是，美軍第14航空軍動員了第308重轟炸機大隊的B-24轟炸機趕來支援，他們在第23戰鬥機大隊和中華民國空軍第4大隊的P-40戰鬥機掩護下空襲第11軍的後方。前方國軍頑強抵抗，後方補給線又遭受中美空軍猛烈攻擊，橫山勇於5月31日下令第11軍全面撤退，結束了「江南殲滅作戰」，既沒能打通長江航道又無法消滅第6戰區的主力部隊。
