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  日軍先以約3個師團近5萬人兵力攻擊第二十六集團軍2個軍的4萬人,爾後以約6萬人攻擊第十集團軍2個軍,最後再以7萬人攻擊長江上游江防軍2個軍,將早已擄掠到的船隻沿江運到漢口。  日軍第13師團兩萬餘眾,於5月12日夜,從江南守軍空隙的沙市等處偷渡長江,於次日清晨從西北面攻擊駐防公安的國軍第87軍;同時,已佔領安鄉地區的日軍第3師團等部,也西進向東南方攻擊第87軍襲,兩路日軍形成鉗形攻勢;迄28日,渡過清江的日軍,已逼近國軍守衛石牌要塞的第一道防線─南林坡陣地。國軍的陳誠決定在清江沿岸和石碑要塞一線與敵決戰,決戰日期預定在31日至6月1日之間。另一方面,日軍第13師團主力渡過清江後,受到國軍第121師的阻擊,不得不冒險翻越長陽中部的天柱山。途中馬匹輜重損失甚多。國軍第5師在天柱山要道設伏,擊斃日軍數百人後撤退。5月30日,第13師團在付出重大傷亡後,突破石牌附近的戰略要地木橋溪,進攻太史橋。國軍第5師主力利用太史橋的險要地勢設伏,當日軍進入伏擊圈時,國軍以密集的火力向日軍猛烈射擊,接著進行白刃戰。國軍憑藉地勢險要,連續擊退日軍10多次進攻,日軍第13師團主力受阻於太史橋、木橋溪一帶,為後來石牌包圍戰奠定勝基。

  日軍未能達到重創第六戰區野戰軍的目的,沒有打通從長江進攻重慶必經的石牌要塞,使得日軍在戰役後反而更顯被動。

  國軍聲稱造成日軍死傷約2萬5千餘人,擊毀日機40餘架,擊沉、擊傷日軍舟艇122艘。國軍23,550人陣亡,18,295人負傷,7,270人失蹤。  日軍主要損失在進攻石牌要塞和會戰結束迴轉駐地時。國軍由於各線友軍挫敗,日軍逐漸逼近石牌。  由於各線國軍失利轉進,日軍逐漸逼近石牌,第十一師處於孤軍奮戰境地,浴血苦戰,從5月26日起,一直到打到5月31日。 國軍增援抵達後,日軍後衛部隊旋即被包圍,國軍主力經過戰鬥後成功解救被圍部隊。日軍屍滿山谷,乃於5月31日夜間,曳尾而退。日軍獨立17旅團、第13師團第104聯隊、日軍長野部隊(日軍第34師團第217聯隊及其附屬部隊,約4,000人)等均遭國軍重創,其中長野部隊還在5月26日時電告作好焚燒軍旗全體玉碎的準備,在其他日軍單位救援下才倖免於難。國軍包括第十八軍在內的3個精銳野戰軍基本完好無損。因此,石牌戰役被譽為中國的“斯大林格勒保衛戰”。
鄂西會戰發生於1943年5月至6月,是日軍為打通長江上游航線並摧破重慶門戶而向湖北西部國民革命軍守軍進攻的戰役。