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。5月29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3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5月31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7000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“卓着才干”。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。1944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。
内战顽凶死里逃生
胡琏一生顽固反共。1931年至1934年，胡琏曾跟随陈诚参加对中央苏区的第三、四、五次“围剿”。1935年起，又随罗卓英在浙西南继续进攻红军。抗战结束以后，蒋介石破坏停战协定，公然挑动内战，胡琏也成了蒋介石手里打内战的一颗棋子，在战场上多次与解放军交手，与中共大将粟裕更是宿敌。内战爆发后，十八军改为整编十一师，与新一军、新六军、第五军、整七十四师，并称国民党军五大主力。胡琏率美械装备之3万余众，并骡马7000匹，汽车坦克大炮各数百，在中原、华东两大战场，成为解放军刘伯承二野、陈毅三野等部的劲敌。
胡琏指挥的第十八军及整编第十一师是国民党的嫡系部队，战斗力强悍。《毛泽东军事文集》中有7篇专门针对国民党十八军及胡琏的电文，如《钳制敌十一师等部以利刘邓主力休整》、《陈锡联部主要任务是钳制十八军》、《钳制敌第十八军保障粟军胜利》、《一周内不使敌十八军越过睢杞县》、《对付胡琏张轸部北进的措施》、《同意刘陈邓歼击胡琏一部》、《询问一三两纵能否向西参战》等。据许多三野老人回忆，他们认为胡琏及其整编十一师(1946年5月，根据国、共、美三方代表签署的“整军方案”，国民党第十八军整编为师，胡琏任师长)作风顽强、战力强悍，特别不好对付，是一个难缠难打的对手。整编十一师在国民党“五大主力”中被解放军歼灭的时间最晚，似乎也从一个侧面证明胡琏的整编十一师战斗力之强悍。
