援鄂战争的第三阶段为直军与川军的战争。川军虽同意出兵援鄂，但因内部缺乏统一步调，迟迟未能出兵，直至9月1日才开始沿长江南岸进军，攻击川鄂门户——宜昌，此时直军与湘军已经停战，吴佩孚曾致电刘湘提议罢战，但川军已推刘湘为援鄂军总司令，但懋辛为副总司令兼第二路总指挥，唐式遵为第一路总指挥，大军出动，成骑虎难下之势，直川间战事仍不可免。
直军在宜昌的守军只有两个混成旅，由18师师长卢金山任鄂西防务总司令，兵力数量远不及川军的3个师4个混成旅，故面对川军攻击步步退却，宜昌岌岌可危。此时驻宜昌的英、日等国领事以保侨为名出面干涉，要求交战双方从9月5日起休战三日，协商和平解决方案，给了直军喘息之机。吴佩孚借此时机，亲率第3师一部与第23、24、25师、第8师一部及第8混成旅增援宜昌，兵力总数超过了川军。9月16日吴佩孚抵宜昌，正值川军猛攻，直军“势已不支，纷纷退下，宜城岌岌，正在垂危”。吴佩孚亲率卫队督战，卒使直军转危为安，稳住了防线。此后直川两军在宜昌周边展开为时10余天的激战，直军中以北方人居多，不习惯山岳作战，而“川军娴习山道，每遇悬崖峭壁，辙以铁钩攀而上，北军莫名其妙，皆甚骇诧，以故崇山峻岭之中，时有川军踪迹，忽隐忽现，川军之敏捷灵变，实较北军为优”。17日至18日，“两昼夜激战，统由吴子玉督率，盖士无斗志，每一临阵，即退却”。但由于吴佩孚的战术灵活，并不与川军在正面过多纠缠，而以两翼反击为主，同时调孙传芳部及海军增援，请陕督冯玉祥派兵南下鄂西助战，而川军远道入鄂，军饷军械接济困难，加之孤军作战缺乏友军支持，势渐不支，从9月24日起开始全线退却。此后直军转守为攻，连占秭归、巴东、兴山等地。但川军于节节后退中阵形未乱，仍有与直军对峙的本钱，四川易守难攻，吴佩孚亦暂无图川之心，战事发展至于停顿。吴佩孚遂将宜昌防务交孙传芳负责，10月30日回到武汉。