在胡宜生指揮的炮陣掩護下，一名海軍戰士用生命將一枚水雷推向日本軍艦，將其炸沉。古賀一郎向日軍第11軍司令官橫山勇建議從側翼突襲石牌守軍，完成致命的一擊。為了摸清日軍進攻意圖，胡宜生被江防軍司令部派往日軍側擊的必經之路進行偵察。
為了找出隱藏在深山老林里的日本侵略者，胡宜生點燃了一串鞭炮，并用喊話的方式迫使古賀一郎一部露出馬腳。在江防軍的工事中，胡宜生接到了江美云的電話，可剛通話沒多久，電話線就日軍炸斷了。
江美云為了早日回到胡宜生身邊，與他并肩作戰，正驅車趕往前線陣地。不料車隊半路遭遇到穿插突襲的日軍，江美云在被重重包圍的情況下，發出了最后一條電報，將日軍動向報告給司令部，留下“抗戰必勝”四個字后，飲彈自盡，天人永隔。
江防軍司令部得知日軍三萬兵馬正在向第18軍第11師胡師長部挺進后，胡宜生被楊帆派去前往第11師，和胡師長一起堅守陣地。臨行之前，胡宜生向成四妹和寧京妮告別。成四妹因為江美云的死而性情大變，郁郁寡歡。胡宜生勸慰她要堅強。
清嫂、江娃子、錢富貴點燃紙錢，為尤老兵、小鳳仙以及在戰爭中死去的親人們招魂。春來向胡宜生請求，要和他一起去打侵略者。第6戰區長官部下達命令，要求江防軍死守長陽、宜昌之間的稻草坪、高家堰、余家壩、曹家畈、石牌之線并以之為決戰線。
胡宜生策馬來到駐守石牌的第11師，在胡師長的帶領下，全體將士面對石牌崖壁集體宣誓：竭力死守、血戰到底。群山回響著戰士們的誓言。在古賀一郎的率領下，日軍飛機大炮助陣，對第11師南林坡防御陣地發起進攻。同時，日軍后援兵力正向石牌陣地逼近。
楊帆向吳奇偉總司令建議，派出寧京妮所在的醫療隊前往第11師進行支援。成四妹和清嫂自告奮勇一同前行。南林坡，兩軍激戰至深夜。停火的間隙，胡宜生與士兵一起唱起了《松花江上》，日軍士兵們被這悠揚的歌聲感染，紛紛側耳傾聽。谷賀一郎氣憤之下拿起機槍射向中國軍隊。陣地上再次燃起炮火槍聲，胡師長率領部隊趕到增援，胡宜生所部從日軍的縫隙中穿插撤離。
很快，中日兩軍的新一輪對決在八斗方防御陣地再次展開。錢富貴為了拾取日本兵的玳瑁眼鏡，被炮彈擊中。胡宜生為了救出富貴，只身一人沖進了槍林彈雨中。
渾身是血的錢富貴被胡宜生拖到了戰壕里。臨死之前，他拒絕了寧京妮的救治，而是撫摸了下她的臉龐。為了給錢富貴和死去的弟兄們報仇，胡宜生率部殺入敵陣，展開肉搏。戰斗中，四妹不幸中彈，在生命的最后一刻，她注視著自己心愛的男人胡宜生，永遠閉上了雙眼。
戰斗結束后，胡宜生決定將京妮父親的死因告訴她，而寧京妮坦言尤老兵在生前已經將真相告知——她的父親是死在了日軍的炸彈下。寧京妮將子彈射向胡宜生腳下，就如同當年胡宜生對其父親的舉動一樣。胡宜生埋藏已久的心結終于解開。
第六戰區下達作戰命令，不惜一切代價克復漁洋關。中國軍隊在胡宜生的建議下，從后山攀爬巖壁偷襲敵軍，拿下漁洋關。日軍第11軍司令官橫山勇下令日軍全線后撤。江防軍在楊帆、胡宜生等軍官的帶領下，協同友軍展開對日寇的追擊。戰斗中，古賀一郎身受重傷，舉槍自盡，小林被俘。胡宜生拿起小林留下來的日記，不禁感概，這段歷史應該被永遠銘記。
石牌保衛戰，是中國抗戰史上，留下的為數不多的以弱勝強戰例，以小的代價取得大的勝利的榮譽戰例。石牌保衛戰后，中國抗戰格局漸次顯現轉折，為此，石牌保衛戰被西方軍事家譽之為“東方斯大林格勒保衛戰”！