当时，守石牌的是陈诚的基本部队第十八军。陈诚给该军第十一师师长胡琏打电话，说：“蒋委员长命令，石牌要塞必须固守10天，成为中国的斯大林格勒。你有没有把握守住？”胡琏回答：“请放心，我已经立下遗嘱，誓与要塞共存亡，保持十八军的荣誉。”陈诚感动得差点掉泪：“好样的，不愧是十八军好汉。”

28日，日军向第十一师第一道防线——南林坡阵地发起攻击。同时，右邻之十八师阵地也受到日军的袭击。至此，一场争夺石牌的战斗在西陵峡展开。敌军攻势一波接一波，至29日已达最高潮。当晚，江防军总司令吴奇伟请求撤退到庙河南北之线，陈诚审慎考虑后，决心贯彻原定计划，令江防军竭力守卫原阵地，不得变更。同时，为减轻江防军正面压力，命令各部提前反攻：九十四军向都镇湾，七十四军向松滋、枝江，四十四军向公安，并令三十三集团军加紧攻击当阳。其余后续兵团如三十军、一八五师、一四一师等各部，兼程向指定地点前进，及早加入作战。

此时天气已好转，美军战机飞到战场上空，向日军投弹轰炸。十八军将士顽强抵抗，石牌要塞岿然不动。30日晚，日军指挥官见攻势受挫，后路也受到威胁，便下令撤退。

陈诚当即下达追击命令。31日，各部开始进击。敌独立混成第十七旅团后撤途中，突然与七十四军遭遇。激战中，两个大队长先后被击毙。该旅团是这次会战中损失最大的一支部队，5个大队长就战死3个。十三师团的第十一联队长，撤至宜都准备渡江时，被中美空军的机枪击成重伤。

至6月3日，江防军已完全恢复会战前之态势。至6月中旬，江南方面也基本恢复原来态势。鄂西会战宣告结束。

据陈诚汇集的参战各部上报，此战共毙伤敌三万余人，中国军队伤亡不到两万。陈诚非常自豪地说：“抗战以来，统计各战区大小战斗中，敌我伤亡比例，初期约为一与二之比，即我伤亡二人时，敌伤亡一人。以后有时为二与三之比，亦有时约略相等，但敌之伤亡较我为大之时，实不多见，至若敌之伤亡竟较我超出百分之五十以上，恐怕只有鄂西会战这一个特例。”

为了增强中国军民的抗日信心，国民党媒体大肆宣传“鄂西大捷”。陈诚成了抗战英雄人物。许多参战官兵也受到了表彰。

其实，日军的伤亡数字被远远夸大了，中国军队的伤亡也大大超过了日军。20世纪末，台湾当局官方史料公开承认，第六战区部队在这次会战中战死23550人，负伤18295人，失踪7270人；日军死伤3500余人。我国与日军阵亡比为30比1。

不过客观地说，第六战区主力未被日军吃掉，石牌要塞未被攻下，也算是一个了不起的胜利。

战后，陈诚总结了获胜的几个原因：“判断敌寇意图正确，不为其种种狡狯伎俩所迷惑，此其一……敌军此种行为，不是‘攻其不备’，而是‘攻其所备’了；其终于招致挫败，不亦宜乎？无论此次会战之前之后，政治上配合军事之处极多，如检举奸伪、运济粮弹、抬送伤兵、救护负伤官兵等，都有很大的贡献。尤其难得的是报告敌情。此次敌人行动，我们特别明了，很多都是民众自动报告的。民众如此深明大义，当然是行政方面组训民众有成的效果……”

在这次战役中，陈诚的基本部队——第十八军表现英勇，洗刷了宜昌失守之耻。事后，土木系骨干郭忏对邱行湘说：“十八军多年来给何应钦压得死死的，新的装备领不到，兵员补充更困难。如果十八军不打个‘胜仗’，辞公的话也说不响……”①

陈诚本人因指挥鄂西会战有功，荣获国民政府授予的青天白日勋章。这是他1930年以来第六次获此表彰。