蒋介石对石牌要塞的安危极为关注，他不止一次地给六战区陈诚、江防军吴奇伟拍电报，一再强调必须确保石牌要塞的安全。一九四三年五月二十二日，蒋介石发来电令：“石牌要塞应指定一师死守。”第十一师是精锐，理所当然驻守石牌。五月二十六日蒋介石又从重庆发来手令，称石牌为“中国的斯大林格勒”，并严令江防军胡琏等诸将领，英勇杀敌，坚守石牌要塞。
胡琏非常清楚这一仗不仅关系到他和第十一师的命运，更关系到民族的存亡。胡琏及其第十一师都做好了杀身成仁、共赴国难的准备。领命以后，胡琏沐浴更衣，带领第十一师全师将士祭拜天地，誓与要塞共存亡，随时准备以身殉国：
陆军第十一师师长胡琏谨以至诚昭告山川神灵，我今率堂堂之师保卫我祖宗艰苦经营、遗留吾人之土地，名正言顺，鬼伏神钦，决心至坚，誓死不渝。汉贼不两立，古有明训。华夷须严辨，春秋存义。生为军人，死为军魂，后人视今，亦尤今人之视昔，吾何惴焉！今贼来犯，决予痛歼力尽，以身殉之，然吾坚信苍苍者天必佑忠诚，吾人于血战之际胜利即在握，此誓！
大敌当前，恶战在即，胡琏当夜修书五封。在给其父的信中，胡琏以人子之心写道：“父亲大人：儿今奉令担任石牌要塞防守，孤军奋斗，前途莫测，然成功成仁之外，并无他途……有子能死国，大人情也足慰……恳大人依时加衣强饭，即所以超拔顽儿灵魂也……”
在给妻子的信中，胡琏惭愧地写道：“……我今奉命担任石牌要塞守备，原属本分，故我毫无牵挂……诸子长大成人，仍以当军人为父报仇，为国尽忠为宜……十余年戎马生涯，负你之处良多，今当诀别，感念至深……”
胡琏熟悉山地作战，他认为虽然日军大炮坦克武器精良，但因不擅长山地作战，因此可采取智取战术。他根据要塞一带山峦起伏、地势险峻的特点，充分利用有利地形，抑制敌坦克大炮之威力。战斗打响以后，第六战区指挥陈诚电询胡琏：“有无把握守住阵地？”胡琏当即回答：“成功虽无把握，成仁确有决心。”石牌要塞保卫战打得非常艰苦，一方志在必得，一方拼命死守，双方伤亡惨重。五月二十九日，胡琏对团长们发令：“从明天起，我们将与敌人短兵相接……战至最后一个，将敌人枯骨埋葬于此，将我们的英名与血肉涂写在石牌的岩石上。”在战斗最激烈时，曹家畈附近的大小高家岭战场上曾经三个小时听不到枪声，并不是因为双方停战，而是双方在进行最原始、最血腥的冷兵器搏杀――拼刺刀，战况之激烈残酷可见一斑。
由于守军意志坚决，顽强抵抗，日军久攻石牌不下，损兵折将，士气完全丧失。到了五月三十一日夜晚，战场上的枪炮声突然沉寂下来，第十一师的将士爬出战壕，发现进犯石牌之敌纷纷掉头东逃。
石牌要塞保卫战取得了胜利，我军毙伤日军达七千人，缴获器械无数，实现了蒋介石“军事第一，第六战区第一，石牌第一”和“死守石牌，确保石牌”的军事目标。石牌保卫战挫败了日军入峡西进攻取重庆的部署，沉重地打击了日军，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”。
蒋介石曾对人夸奖说：“陕人是龙不是虫。”黄埔军校的陕西籍学生如关麟征、杜聿明、董钊和张耀明、刘玉章、胡琏、高吉人、张灵甫等，均“卓著才干”。胡琏在石牌要塞保卫战中的杰出表现，让蒋介石对他更加看重。此役后胡琏被授予青天白日勋章，并升任第十八军副军长。一九四四年，胡琏奉调到重庆蒋介石侍从室，并很快升任第十八军军长，成为“土木系”的骨干和精英。
一九三七年初，淞沪会战爆发后，胡所在的陈诚任军长的十八军第十一师第六十六团开赴上海，一九三七年八月率部参加淞沪会战。胡团奉命守卫上海北面罗店地区。日军以罗店为突破口，派飞机轰炸、大炮轰击六十六团阵地，施放烟幕弹，以坦克掩护步兵冲击。胡琏组织敢死队，用集束手榴弹炸坦克，又组织机枪火力网***日军前进通道。有时组织部队主动出击与敌人进行肉搏战，以杀伤敌人。有时一昼夜打退敌人十几次进攻，顽强地坚守了阵地。
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