胡璉最著名的戰鬥是石牌阻擊戰，此戰胡璉因功榮獲青天白日勳章，並於7月13日任18軍副軍長。同年帶職調任軍事委員會委員長何去何從室高參。
石牌，是個不足百戶的小村，因一戰而出名。在這場被稱為「中國的史達林格勒保衛戰」之前，日本陸軍所向之處，雖然也遇到過頑強的抵抗，但大都以中國軍隊的最後退卻為結局。可是，就在石牌，中國軍隊在數量超出自己的日本王牌陸軍面前，像釘死在石頭上一樣，一步也沒有後退。
古鎮石牌在宜昌縣境內，位於長江三峽西陵峽右岸，依山傍水。石牌方圓70裡，上有三鬥坪，是當時的軍事重鎮，六戰區前線指揮部、江防軍總部等均設於此。下有平善壩，與之相距僅咫尺之遙，是石牌的前哨，亦為我軍河西的補給樞紐。它下距宜昌城僅30餘裡，自日軍侵佔宜昌後，石牌便成為拱衛陪都重慶的第一道門戶，若石牌丟失，則日寇可窺伺四川，威撼西南，後果不堪設想。
為拱衛陪都，中國海軍於1938年冬就在石牌設置了第一炮臺，其左右有第一、第二分臺，安裝大炮共10尊，為長江三峽要塞炮臺群的最前線。與之相配套的還有川江漂雷隊、煙幕隊等。駐守石牌的海軍官兵共有100多人。由於石牌與宜昌幾乎處於一條線，要塞炮臺的炮火可以封鎖南津關以上的長江江面，極具威懾力，令敵望而生畏。國民政府軍事當局認為「石牌要塞是中國的史達林格勒」，嚴令部隊不惜一切代價守衛石牌要塞。
日軍對石牌要塞早有覬覦之心。1941年3月上旬，敵曾以重兵從宜昌對岸進攻過石牌正面的平善壩，並以另一路進攻石牌側翼之曹家畈。兩路日軍當時都遭到我守軍的嚴重打擊，慘敗而歸。因此，日軍這次不敢貿然從正面奪取石牌要塞，而是採取大兵團迂迴石牌背後企圖攻而取之。
為堅決保衛石牌要塞，5月27日江防軍調整部署，決定在長陽、宜昌兩縣間之稻草坪、高家堰、餘家壩、曹家畈、石牌與日軍決戰。至此，鄂西會戰進入決戰階段。為保障決戰勝利，陳誠命第10集團軍第94軍主力轉移到長陽資丘附近，掩護江防軍右翼。同時調動空軍戰機協同地面陸軍作戰，並對日軍後方實施轟炸，切斷敵之增援和補給。
大戰在即，蔣介石再次頒發手令。蔣氏指出，石牌乃中國的史達林格勒，是關係陪都安危之要地。並嚴令江防軍胡璉等諸將領，英勇殺敵，堅守石牌要塞，勿失聚殲敵軍之良機。我三軍將士鬥志倍增。死守石牌要塞的第11師師長胡璉，當即寫下五封訣別信，然後沐浴更衣，帶領全師將士祭拜天地，誓與要塞共存亡，隨時準備以身殉國。並把師指揮所推進到離火線很近的蟲客螞包，親臨指揮。
胡璉將軍的祭天文如下：
陸軍第11師師長胡璉，謹以至誠昭告山川神靈：我今率堂堂之師，保衛我祖宗堅苦經營、遺留吾人之土地，名正言順。鬼伏神飲，決心至堅，誓死不渝。漢賊不兩立，古有明訓；華夷須嚴辨，春秋存義。生為軍人，死為軍魂。後人視今，亦尤今人之視昔，吾何惴焉。今賊來犯，決予痛殲，力盡以身殉之。然吾堅信，蒼蒼者天，必佑忠誠。吾人於血戰之際，勝利即在握！
此誓
大中華民國三十二年五月二十七日正午
胡漣又給父親寫了遺書：
父親大人：
兒今奉命擔任石碑要塞防守，孤軍奮戰，前途莫測，然成功成仁之外當無他途。而成仁之公算較多，有子能死國，大人情亦足慰。惟兒於役國事已十幾年，菽水之歡，久虧此職，今茲殊戚戚也。懇大人依時加衣強飯，即所以超拔頑兒靈魂也。敬叩金安。
胡漣還給妻子寫了遺書，交代後事：
我今奉命擔任石碑要塞守備，原屬本分，故我毫無牽掛。僅親老家貧，妻少子幼，相關萬裡，孤寡無依，稍感戚戚，然亦無可奈何，只好付之命運……十餘年戎馬生涯，負你之處良多，今當訣別，感念至深。茲留金表一隻，自來水筆一支，日記本一冊，聊作紀念。接讀此信，勿悲亦勿痛，人生百年，終有一死，死得其所，正宜歡樂。匆匆僅祝珍重。諸子長大（成人），仍以當軍人為父報仇，為國盡忠為宜。
胡璉深知此戰之險惡，一天晚上11時多，他在石牌要塞給他的故舊好友、第5師副師長丘行湘掛電話，互通了陣地情況之後，胡璉平靜地說：「行湘兄，伯玉此次有一事相求!」
胡璉原是丘行湘的長官，曾當過丘行湘的營長、團長。這一回用如此口氣對丘行湘說話，是從未有過地事情。丘行湘先是大感詫異，接下來慎重地說：「胡師長請講!」
胡璉道：「此役勝負難料。但實不相瞞。我已做好必死之準備，我第11師上下將與石牌共存亡。如伯玉拋屍沙場，你嫂子和那幾個嗷嗷待哺的孩子，就拜託兄弟代為照看了。」
丘行湘在電話中聽到胡璉用如此悲壯的聲音向其託孤，並表達了堅守陣地的決心，也被深深地感染了。他亦以同樣沉重的語氣道：「我第5師乃石牌要塞外圍屏藩，如石牌要塞不保，胡師長為國捐軀，丘某人當無面目苟活於世!」
胡璉是一位善於山地作戰的將軍。他重視利用石牌周圍山巒迭嶂、壁立千仞、千溝萬壑、古木參天的有利地形，構築堅固工事，並在山隘要道層層設置鹿砦，憑險據守。
1943年5月28日，日本集結了陸海空三軍7個師團10萬人，向鄂西宜昌的石牌要塞推進。日軍第3師團從長陽高家堰進入宜昌縣境，向我第11師第一道防線南林坡陣地右鄰之18師（師長覃道善）陣地發起攻擊。至此，一場爭奪石牌之戰在西陵峽展開。戰鬥之激烈，為八年抗戰中鄂西戰事所絕有。為了中華民族的尊嚴，為了每一寸神聖的國土，我18軍將士（下轄11師、18師及暫編34師）以血肉之軀築就抵禦外敵的鋼鐵長城。
日軍主攻地點為我軍第11師31團3營駐守的南林坡陣地，我官兵奮勇抵抗，敵軍接連發起5次衝鋒。戰至黃昏時分，接連突破我8連、9連陣地。8連連長陣亡。7連陣地上，我軍的重機槍排和迫擊炮排之強大火力，將進攻的日軍殺得屍橫遍野，日軍僅遺留在陣地前未來得及拖走的屍體就達數百具。
29日上午9點，日軍由於久攻7連陣地不克，惱羞成怒，特地調來飛機5架和直射鋼炮數門，對7連陣地猛烈轟炸，陣地上的樹木、地堡、掩體和工事被炸得無影無蹤，2排排長陣亡，重機槍排和迫擊炮排士兵所剩無幾。7連士兵頑強抵抗，一直堅守陣地至5月31日才奉命撤退，當時全連官兵僅剩70多人。官兵傷亡達四分之三。
5月29日，日軍第39師團主力經餘家壩，中午進至曹家畈。遂分兵兩路向牛場坡、朱家坪我11師陣地大舉進犯。牛場坡群嶺逶迤、樹木參天，是朱家坪的屏障；朱家坪峽谷深邃，層峰迭巒。第11師官兵憑此有利地形沉著應戰。日軍一路由彭家坡迂迴牛場坡，另一路從響鈴口、柏木枰向牛場坡正面攻擊。我軍與數倍於我之敵在牛場坡激戰競日。日軍為了攻佔主峰大松嶺，在飛機支持下，向我堅守主峰陣地第11師的一個連發起數次衝鋒。胡璉立即對團長們發布命令：「從明天起，我們將與敵人短兵相接……戰至最後一個，將敵人枯骨埋葬於此，將我們的英名與血肉塗寫在石牌的巖石上。」當戰鬥最緊張的時刻，電話裡傳來胡璉師長的聲音：「弟兄們，積極報效祖國，死守陣地，戰鬥到最後一個人，流盡最後一滴血!」在我11師官兵痛擊下，日軍頗多傷亡，該連亦傷亡過半。終因眾寡懸殊，我軍撤離牛場坡。由於失去屏障，5月30日朱家坪被敵攻佔。
同日，日軍第3師團另一部越過桃子埡，向橋邊南之天台觀一線我18軍暫編第34師（師長彭鞏英）陣地進犯。天台觀是我軍這一帶的制高點。這天，日軍沿點心河從天台觀背面向我攻擊，企圖奪取天台觀。當敵進至點心河時，即遭到我軍阻擊，一舉斃傷敵300多人。日軍無奈遂轉攻王家壩，又遭我軍分頭迎擊，無法進展。這時，第3師團的中火田部隊前來馳援，卡斷了天台觀與大軍的聯繫。守衛天台觀的暫34師一排戰士，臨危不懼，死守陣地，與敵頑強拚搏。日軍幾攻不下，又調來飛機助戰。我一排戰士聚集在冬荊樹下堅持戰鬥。飛機竟把冬荊樹炸成禿樁，山頭上的泥土被炸翻幾層，然而勇士們視死如歸，與敵肉搏，予敵重大殺傷，最後全部壯烈犧牲。自此，日軍進入我軍石牌外圍主陣地。
日軍攻下天台觀後，騎兵隊突入窄溪口，又遭到我龍家巖陣地守軍迫擊炮的攻擊，迫使敵騎落荒後撤。石牌外圍主陣地一帶叢山峻岭，道路狹窄難行。日軍步兵僅能攜山炮配合作戰，抵擋不住我軍之打擊。便用飛機轟炸以代替炮擊，每天保持9架飛機低飛助戰。
5月30日，日軍步兵在飛機掩護下強行通過窄溪，向我石牌要塞進行強攻。敵分成若干小股向我陣地猛攻，只要有一點空隙，日軍即以密集隊伍衝鋒，作錐形深入。當戰鬥激烈時，陳誠打電話問胡璉：「守住要塞有無把握?」胡璉斬釘截鐵地回答：「成功雖無把握，成仁確有決心!」
我11師官兵在胡璉指揮下奮勇作戰，在曹家畈附近的大、小高家嶺上曾有3個小時聽不到槍聲，這不是雙方停戰，而是敵我兩軍扭作一團展開肉搏戰。攻擊三角巖、四方灣之敵1000餘人，為爭奪制高點黔驢技窮，一度施放催淚瓦斯彈。我軍無防化設備，用血肉之軀與敵相拼，竟奇蹟般將敵殲滅殆盡。八鬥方之爭奪，是這次戰鬥最為激烈的地方。敵每一寸土地之進展，必須付出同等血肉之代價。兩軍在此彈丸之地反覆衝殺，日月為之黯然失色。我軍浴血奮戰，擊斃日軍近2000人，陣地前沿敵軍屍體呈金字塔形。中央社向全國播發消息稱：「宜昌西岸全線戰鬥已達激烈，每一據點均必拚死爭奪。」這是當時戰役的真實寫照。
在石牌外圍拚搏戰中，日軍一度鑽隙繞過石牌，衝到距三鬥坪僅60裡的伏牛山。胡璉立即命其屬下將國旗插到最高峰上，並嚴令守軍不得後退一步。他用電話告誡將士：「打仗要打硬仗，這一次一定要使日軍領教中國軍隊的作戰精神!」在石牌保衛戰的日日夜夜，我軍就是憑這股精神與敵搏殺。
為配合陸軍作戰，保衛石牌，我空軍和美國盟軍戰機頻頻出動，在戰場或戰場附近對日軍進行攻擊，斷敵增援和補給。5月29日，我空軍攻擊了宜昌城，炸死、炸傷日軍30餘人；30日又攻擊了宜昌東之日軍土門埡機場，炸死日軍2人，炸毀飛機1架；5月31日，在石牌大戰的最後時刻，我空軍與地面部隊聯合作戰，同日軍飛機展開激烈的空戰，擊落敵機6架。空軍出動，大振了我軍士氣。石牌要塞的海軍官兵，除不斷向長江江面布放漂流水雷，阻止日軍艦船溯江西上與陸軍協同外，他們堅守炮臺戰鬥崗位，沉著應戰，任憑日軍飛機、大炮猛烈轟擊，臨危不懼，決心與炮臺共存亡。
日軍在付出了7000多人的傷亡代價之後，仍然不能突破石牌要塞的胡璉第11師主陣地，戰鬥信心盡失，紛紛掉頭東逃，石牌大戰遂告結束。我軍當即開始全面反攻，以秋風掃落葉之勢，追擊向東逃竄的日軍。第18軍的英勇奮戰為鄂西大捷立下了汗馬功勞。此役共斃傷日軍達25700多人，其中擊斃日軍校級指揮官5名，斃傷和繳獲戰馬共1384匹，擊落日機45架，擊毀日軍汽車75輛，擊沉、擊傷敵舟艇122艘，繳獲器械、槍枝彈藥無數。戰後，師長胡璉因固守石牌要塞有功，被授予青天白日勳章，升任第18軍副軍長。所屬之團、營長也各獲得了最高級的獎章。
石牌保衛戰，中國軍隊以少勝多，用鮮血誓死頑強地守住了石牌，在抗戰史上留下一段傳奇。此戰挫敗了日軍入峽西進攻取重慶的部署，沉重地打擊了日軍，是抗戰的重大軍事轉折點，西方軍事家譽之為「東方史達林格勒保衛戰」。
如今，載戰事的石碑已殘損，碑文勉強可認：「溯自七七事變，抗戰均與本師，馳驅南北，喋血疆場。首創敵於房山，告捷於娘子關……臺兒莊會戰，以訓練未滿三月之兵，當敵精銳強悍之師……同年秋，敵犯武漢，師再布陣於大別山，孤軍苦鬥，力卻強敵。浴血搏鬥達18晝夜，士氣之壯，犧牲之烈，可動天地而泣鬼神……凡此諸役，我忠勇將士為國犧牲者達萬餘人……旋奉命接防石牌，扼守要塞……緬懷忠良……於石牌西側，四方山之陽……築公墓於其上……從此忠骸有寄，九原歡騰……」
石牌要塞之戰，保證了鄂西大捷。後來有人評價：此戰保證了重慶的安全，當為抗日第一功。