曹操收到孙权的信后，征求群下的意见，司空军祭酒董昭说：“军事尚权，期于合宜。宜答应孙权为其保密，而内露之。关羽得知此讯，若还军自保，则围可速解，可坐取其利。其双方相对衔持，我可坐待其弊。秘而不露，使孙权得志，非计之上。再者，重围之中将士不知有救，若因局势危急，傥有他意，则后患不小，所以，露之使人尽知为便。且关羽为人强梁，自恃江陵、公安二城防守坚固，必不速退。”曹操听后深以为善，随即命令徐晃将孙权书信分一式两份，一份射重围之中的曹仁守军，另一份射入关羽屯营之中。曹仁守军得讯，知解围有望，志气百倍，大大鼓舞了斗志；关羽闻知后，不免心存犹豫，难以遽下决心。因为江陵、公安有兵坚守，孙权虽有志背后开刀，不可能很快破城，樊城已在重围之中，兼以水势相助，此城有必破之象，若解围而去，则前功尽弃。
孙、刘同盟的瓦解，使关羽面临着腹背受敌的形势。
徐晃在得到曹操的增援部队后，更是乘势寻求战机，向关羽大军及其屯营发起了攻击，声援樊城内的曹仁。
说起来徐晃其实与关羽早有私谊，当年关羽勇斩颜良解白马之围时，徐晃就以种将军相从。后来在赤壁之战中，他又奉命与汝南太守满宠在汉津同关羽较量。虽然关羽与徐晃素相友爱，襄樊相敌，各为其主。有一天两人在战场上相遇，遥相共语，却无言涉及军事。两人倾谈一阵，徐晃下马宣令曰：“得关云长头，赏金千斤。”关羽见状，大吃一惊，对徐晃说：“大兄，是何言邪！”徐晃答：“此国之事耳。”于是，各勒马头，开兵见仗。
关羽在攀城外围的围头和四冢等处设有屯营，徐晃扬言进攻围头屯暗中向四冢屯发动了攻击。徐晃的猛攻，四冢屯快要被攻破时，关羽亲率步骑5000出战，结果被徐晃紧紧咬住，只得退回围堑之中，谁知，徐晃率兵追入关羽的军事屯围区内，关羽守军一时难以抵御，只得撤围退走。
起初，关羽樊城围解，关羽在襄樊的势头被扼制住。
数番命令在上庸（今湖北竹山县西南）的刘封、孟达，发兵相助，刘封、孟达借口山郡初附，未可动摇，不宜发动救远，竟不从关羽号令，致使关羽在樊城被徐晃攻破时仍不见其救援，后来，刘备因其不救关羽，又借他事将刘封赐死。孟达则投降曹魏。
关羽大本营由麋芳、土仁分驻留守。麋芳、士仁都嫌忌关羽恃勇傲物瞧不起他们。麋芳在驻守南郡之初，江陵城中失火，军器物资烧坏不少，关羽狠狠地斥责了麋芳一通，麋芳心中内怀畏惧。自关羽兵围樊城之后，麋芳、士仁所负责的军需物资又供应不及时，致使关羽军中粮食不足，使他更加愤慨，曾声称：“待我还军之日，一定要收拾他们”，二人也是愈加不安。（《三国志·蜀书·关羽传》）这样一来，就为孙权对付关羽提供了可乘之机。
吕蒙率兵来到荆州，委派原骑都尉虞翻前往公安劝降士仁。虞翻致书士仁，为陈成败之势，士仁得书，流涕而降。吕蒙又接受虞翻建议，留兵驻守公安，而将士仁带至南郡，麋芳见士仁已降，也开城出降。南郡失守的消息传到关羽军中，关羽知道后方一失，给养供应无着，襄阳之围也就无有依托，遂撤围南退。曹仁及其众将见状，都认为可乘关羽之危，追而擒获之。赵俨分析说：
“孙权出兵掩制关羽于后，本是担心关羽回军之后我方承其两弊，故先顺辞求效，乘衅因变，以观利纯耳。尔今关羽已成孤军，更直存之以为孙权之掣肘，若深入追击，孙权则要考虑他个人的利益，恐怕就要对我方不利，那样的话，大王（指曹操）必以此为深虑。”曹仁于是便不再追击。曹操在得报关羽南退后，担心诸将会追击，曾疾令曹仁勿追，一如赵俨之策。这显然是借关羽之兵玩弄的手腕。
吕蒙入据江陵后，释放了于禁及部属，尽得关羽及其将士家属，吕蒙皆有抚慰，约令军中不得私入民宅，取人财物。吕蒙手下有一人取民家一顶斗笠以覆官铠，此人是其汝南同乡，官铠又是公物，但其私取百姓之物，已犯军令，吕蒙仍垂涕斩之，于是军中震栗，道不拾遗。
吕蒙军纪严明，秋毫无犯，每日只令亲信各存恤百姓，问所不足，疾病者给医药，饥寒者赐衣粮。关羽于城中库藏财宝诸物，皆封存以待孙权。关羽南退之后，数次派人与吕蒙联络，吕蒙对关羽的使者辄加厚遇，并周游城中，家家致问，或手书示信。关羽的使者回去后，众人都私下里前来探询消息，当得知家门无恙，见待过于平日时，关羽军中皆无斗志。
孙权不久亲临江陵，关羽旧属荆州将吏悉皆归附。
建安二十四年，219年十一月，刘备所置宜都（今湖北宜都）太守樊友弃郡而窜，诸城长吏及蛮夷君长皆投降了陆逊。孙权以陆逊领宜都太守，为右护军、镇西将军，屯于夷陵（今湖北宜昌东南），守长江之西陵峡口（今湖北宜昌），据险西拒刘备、东扼关羽。吕蒙领南郡太守。
关羽见荆州分崩离析，顿觉孤穷，遂西走麦城（今湖北当阳县东南）。孙、刘同盟已绝，麋芳、士仁又降，长城自毁，关羽则已走投无路。
孙权派人诱降关羽，关羽假意答应投降，立幡旗于城上，乘机逃走，待突出麦城时，关羽仅有十余骑相从，其他人都已投降或战死。孙权即令偏将军朱然和潘璋率兵截击，断其退路。十二月，潘漳部下司马马忠在临沮之章乡（今湖北当阳县东北），将关羽擒获，同时被俘的还有关羽之子关平及其都督赵累等。（《三国志·吴书·吴主传》及《潘璋传》）孙权在俘获关羽后，有意留他一条命，以便与刘备、曹操为敌。手下人以前车之鉴劝说孙权：“狼子不可养，后必为害。曹公当年不除之，自取大患，及议徙都。今岂可留他活命。”于是，关羽被斩首。孙权遂得全据荆州。
孙权将关羽的首级送给了曹操，建安二十五年（220年）正月，曹操得知了关羽被杀的消息。孙权迫于各种压力，在荆州按诸侯的礼仪规格安葬了关羽的尸骸，而关羽的首级则埋葬在曹魏势力所在的河南洛阳市郊。现今在湖北当阳和河南洛阳存有两处关羽的陵墓，前处有身无头，后处则有头无身，这种葬仪在历史上众多的名人当中，恐怕也是极为罕见的。
关羽被斩后不久，孙权大将吕蒙也因积劳成疾，病发而死；关羽首级被传至洛阳的当月，即建安二十五年（220年）正月，英名一世、叱咤风云的曹操，也在庚子这天死于洛阳。关羽生前不愿与之同列的老将黄忠，也在这年去世。
关羽之战，使徐晃甚得清誉，曹操评价说：“贼（此指关羽）围堑鹿角十重，将军致战全胜，遂陷贼围，多斩首虏。吾用兵三十余年，及所闻古之善用兵者，未有长驱径入敌围者也。且樊、襄阳之在围，过于宫（今山东莒县）、即墨（今山东即墨），将军之功，逾孙武、穰苴。”
徐晃班师之际，曹操出营7里相迎，并置酒高会，甚是风光。
吕蒙在克定荆州，打败关羽后，因疾病复发，被孙权迎入公安的行辕内殿，为治疗其疾病想千法，设百计，并招募属内名医以求治愈吕蒙之疾。吕蒙病死，孙权更是哀痛不已。
关羽死后，曹丕称帝代汉，建立魏国。次年（章武元年，211年）四月，刘备也于成都称帝、建立蜀汉。
刘备对关羽之死，极感痛悲。关羽死后，刘备在荆州地区的势力被驱逐，这更加重了他内心的伤痛。为了替关羽报仇，更为了夺取荆州，刘备决定征讨孙权。出征前，赵云劝阻刘备说：“****是曹操，不是孙权，若先灭魏，孙吴自服，曹操虽死，其子曹丕篡汉，当因众心，早图关中，居河、渭上流以讨凶逆，必得关东义士之助。不应弃置曹魏而与孙吴交战，兵势一交，就欲罢不能了。”
但刘备根本听不进去。益州从事祭酒秦宓也极力劝谏，“陈天时必无其利”，却被刘备幽闭狱中。治中从事黄权也指出“吴人悍战，又水军顺流，进易退难”等东征的种种不利因素（《三国志·蜀书·黄权传》），刘备也是不从。
尤其应该一提的是，接任吕蒙领南郡太守的绥南将军诸葛瑾，以对手的身份从公安给刘备呈来一封信笺：
“奄闻旗鼓来至白帝，或恐议臣以吴王（指孙权）侵取此州，危害关羽，怨深祸大，不宜答和，此用心于小，未留意于大者也。试为陛下论其轻重，及其大小。陛下若抑威损忿，蹔省瑾言者，计可立决，不复咨之于群后也。陛下以关羽之亲何如先帝？荆州大小孰与海内？俱应仇疾，谁当先后？若审此数，易于反掌。”
诸葛瑾之立意仍在于从孙、刘与曹魏三方利益关系来劝阻刘备东攻。刘备一意孤行，遂于章武元年（221年）七月亲自率军出征。他出兵之后，因步步为营，被陆逊找到破绽，在夷陵与之相持，章武二年（222年）六月待刘备大军疲惫之时，陆逊在猇亭（今湖北宣都北长江北岸）以火攻破其连营四十余座，刘备只得退至白帝城，其舟船器械，水步军资，一时略尽，尸骸漂流，塞江而下。面对惨败之状，刘备曾忿惭地长叹：“吾乃为（陆）逊所折辱，岂非天邪！”
章武三年（223年）四月，63岁的刘备病死白帝城永安宫，临死前，托孤于丞相诸葛亮，并与孙权重新和好订盟。从此，蜀以重险之固，吴有三江之阻，蜀、吴联手，共为唇齿，相携对抗曹魏，遂成三国鼎立之势。
后主刘禅景耀三年（260年）九月，关羽被追谥曰“壮缪侯”。其子关兴嗣爵。关兴，字安国，风标令誉，自幼知名，丞相诸葛亮就对他极为器重，官至侍中、中监军，未及壮年而死，爵位由嫡子关统继承，关统得尚公主，官至虎贲中郎将。关统死后，无子嗣爵，又以关兴庶子彝续封。（《三国志·关羽传》）终蜀汉之世，关羽家世贵族，侯爵传袭，得垂裕后昆。在蜀汉被灭时，关羽后代被庞德之子庞会尽数杀死。由此可以说，关羽一生之荣辱与刘氏及蜀汉政权紧密相连。诚如蜀汉时期杨戏《季汉辅臣赞》中所赞关云长与张益德云：
关、张赳赳，出身匡世，扶翼携上，雄壮虎烈。藩屏左右，翻飞电发，济于艰难，赞主洪业，佯迹韩（韩信，西汉名将，开国功臣）、耿（耿弇，东汉名将，开国功臣），齐声双德。交待无礼，并致奸慝，悼惟轻虑，陨身匡国。
（《国志·杨戏传》附）
关羽之声名早已超越了一时一地的局限，跨越了时间与空间的阻隔。在他生活的时代，人们都普遍地赞誉着他的上勇骁猛、天威如虎，称之为一时俊杰。关羽由刘备的属下大将成为圣帝灵君，名列仙班，位入贤圣。
自关羽死后，历经两晋、隋、唐、宋、元、明、清，他在人们心目中的形象越来越丰满，其身后殊荣更是一代隆盛于一代。千百年来，关羽在人们心中是一位义勇双全的英雄，人们对他顶礼膜拜，尊称他为“关公”、“关夫子”、“关老爷”，或称为“关帝”、“关帝爷”、“关圣帝君”
等。特别是罗贯中的《三国演义》对关羽生动深刻的描写和渲染，使他更以独特的个性魅力令芸芸众生为之倾倒，他在演义小说中那身材魁伟、红面美髯、胯下赤兔马、手中青龙偃月刀的凛凛威风仪姿更是深入人心，他那过五关、斩六将、温酒斩华雄的武勇，桃园结义、华容道释曹操的仁义，一直令后世传颂、演义。廊庙之上，市井之中，供奉着关公图像，无论大邑通都还是穷乡僻壤，都曾建有大大小小的关帝庙，都是香火鼎盛、四时无衰。
在百姓的观念之中，关羽已经成为一种象征，一个榜样，一个威力无边的圣灵。在众多的历史人物中，像关羽这样能得到如此长久而普遍敬仰与崇拜者，除了孔老夫子外，恐怕很难再觅出何人可与之匹比！
中国的文庙通常是祭祀孔子，武庙则通常是祭祀关羽。武庙之祖，即是关羽祖籍所在山西省解县的关羽庙，最早的关羽庙，始建于隋文帝开皇九年（589年）。此后，武庙逐渐遍及全国各地。关羽自公元8世纪以后地位日益尊隆，到宋代时，由“忠惠公”得封赠为“昭烈武安王”，宋徽宗赵佶还封之为“崇宁真君”。明清两代，关羽已超越凡俗，成为圣神天君——忠义神武灵佑仁勇威显关圣大帝。“忠义神武大帝”。在各地关帝庙中的关羽塑像大多都是这样的装扮：头戴冕旒，身着衮服，端坐龙床之上，侧有侍臣恭身肃立。人们把“关圣大帝”打扮得威严不凡，赋予他人间最尊贵的帝王形象，以表示对他的崇敬。满清政府对关羽极力褒崇，本意是借倡其仁义而抵消忠贞，达到消除满汉民族间之对立情绪的目的；然而，以反清复明为宗旨的清代民间秘密结社天地会，也对关羽尊崇有加，一份嘉庆十一年（1806年）的天地会首领的拜盟誓单中有这样的话：“自古称忠义兼全，未有过于关圣帝君者也。溯其桃园结义以来，兄弟不啻同胞，患难相顾，疾病相扶，芳名耿耿，至今不弃。似等仰尊帝忠义，窃劳名聚会……”
（任士英）