关羽率军围困樊城，曹仁仅有三千士卒守城，不过曹仁虽然单打独斗打不过关羽，但他的军事才能过硬。只靠着这三千人据守城池，抵挡住了关羽的进攻。
但作为一代名将，关羽也不是吃素的，甚至让曹操有了迁都的打算。曹操深知关羽勇略过人，担心曹仁抵挡不住，觉得汉献帝在许都，距离关羽的军队太近了，一旦曹仁兵败，关羽势必率兵直取许都，为了避其锋芒，曹操就提议迁都。不过被司马懿和蒋济等人劝阻了，他们认为关羽如此大张旗鼓的攻打樊城，孙权肯定不会无动于衷，相反，孙权并不想看到关羽打下樊城。于是提议把江南封给孙权，以此让他率兵从背后攻打关羽。曹操同意了这个提议，同时派徐晃、赵俨等人率兵救援樊城，曹操甚至打算亲自征讨关羽。
徐晃认为自己兵力不足，很难和关羽对抗，有些为难。曹操也看出了这一点，就又先后派遣了徐商、吕建等将领以及殷署、朱盖等十二营前去增援徐晃。此时关羽把樊城重重围困，围头有军队驻守，四冢也有驻军，徐晃不敢和关羽正面对抗，便声东击西扬言要攻打围头，却秘密率兵攻打四冢。关羽见四冢危急，立刻亲自率领步骑五千赶往救援，与徐晃展开较量。
在这之前二人因为是同乡，有过一次对话，基本就是聊家常，没有谈及军事。对话结束后徐晃下令：“得关羽首级者，赏金千斤。”
关羽听后有些害怕，问道：“老哥，咱俩可是同乡啊，俗话说的好，老乡见老乡两眼泪汪汪，你怎么能背后来一枪呢？”
徐晃说道：“咱们虽然是老乡，但立场不一样，各为其主，也就顾不了这么多了。”
于是双方展开混战，俗话说得好“重赏之下必有勇夫”，徐晃的军队受到了鼓舞，都想要那千斤的黄金，奋勇向前。关羽抵挡不住只得退回营寨。可是徐晃不肯放过他，率军追杀，紧随其后冲入了关羽的营寨。当时关羽的营寨防守还是很严密的，外面挖的有战壕，还有十重鹿角，如果从营外强攻，几乎没有胜算的可能。可是徐晃趁着关羽营中大乱，从内部展开突袭，关羽根本不能抵挡，只得撤军。
这一战徐晃不仅解了樊城之围，还杀了胡修、傅方。关羽撤退时本来是打算去襄阳的，因为此时他的船只都在沔口，关羽没办法从水路行进，因此去襄阳的路被隔绝了。
前面讲过孙权曾派人为自己的儿子向关羽提亲，希望他把女儿嫁给自己的儿子，关羽不但拒绝了孙权，还辱骂使者，拒绝了亲事，甚至说道“虎女焉能嫁犬子”的话，身为东吴的掌权者，孙权非常生气。
樊城之战期间孙权又收到了曹操的来信，希望他能协助自己共同征讨关羽。孙权这时候也希望能够得到荆州，就答应了曹操的条件。而关羽本人在治军方面还是很好的，他善待士卒，但对士大夫却很骄横，甚至连诸葛亮他都有些看不上眼。这就引起了内部将领的不满，糜芳、士仁（《资治通鉴》中为傅士仁）向来对关羽都心存不满，觉得他态度轻慢，不尊重自己。
关羽出征时令糜芳、士仁二人负责粮草物资供应，二人本就对关羽不满，故意延误物资输送，关羽就打算回去后严惩二人。糜芳、士仁得知后感到很害怕，他们都知道关羽的脾气，认为关羽回来后自己肯定没有好果子吃。恰巧这事儿让孙权知道了，知道这是个机会，就派人前去诱降二人，同时令吕蒙为统帅，白衣渡江，率军偷袭荆州，自己亲自率军作为后援。
糜芳、士仁所驻守的江陵、公安是荆州的重镇，军事要地，二人却不战而降，直接把南郡献给了孙权。关羽听到南郡失守很着急，马上带兵南撤，可是为时已晚。期间关羽曾多次写信给东吴的吕蒙说：“兄弟，咱们盟友啊，你趁我外出打仗的时候背后捅刀子是不是不地道呢？”
有句老话说“攻城为下，攻心为上”，吕蒙这个人很狡猾，每次都善待关羽的使者，净捡好听的说：“你们关将军误会我了，我不过是来协助他治理一下荆州治安而已。”
吕蒙还带着使者在城中各处游览，给他介绍当地名胜，整得好像自己是个导游似得。另外吕蒙还去慰问了关羽部下的家属，就有人写信拖使者带去报平安。使者返回后，关羽问道：“你此次前去，有什么情报带回来吗？”
使者答道：“糜芳、士仁二位将军投降了东吴了。”
关羽说道：“这个我知道，还有吗？”
使者说道：“吕蒙对待您部下将士的家属很宽厚，比您之前在的时候待遇还好呢。”
关羽说道：“哼，这个奸险的小人，他这就是刘备摔孩子收买人心，我才不上这个当呢，还有吗？”
使者说道：“我遇到您夫人，别说，那长相是真漂亮...”
关羽说道：“来人呐，把使者拉下去开瓢！”
几天下来，光使者就被砍了好几个，这天关羽又要派人去给吕蒙送信，可是已经没人敢去了。
部下们也私下里问使者城中现在怎么样，自己家中可好？使者告诉他们都很好，待遇甚至超过了以前。这样一来，关羽手下的将士们再也无心恋战了，都想着赶紧回家找老婆，士卒渐渐溃散，关羽只得退走麦城。
建安二十四年（公元219年）十二月（公历为公元220年一月下旬），关羽这时候身边只剩下十余人，他想要逃回汉中，他知道，到了汉中自己就能活命。关羽怕死吗？是的，世间的每一个人都惧怕死亡，那些嘴上说不怕死的，真正死到临头时一样会有恐惧，这是心理作用。而且关羽认为自己壮志未酬，就这么死了心有不甘。
可是孙权早已经阻断了关羽的所有退路，据记载关羽还曾向驻守上庸的刘封请求救援，但被刘封拒绝了。可见关羽在这些将领心中的人缘确实不咋地，这也和关羽平时骄傲自大，不把他们放在眼里有关。所以陈寿评价关羽为：羽善待卒伍而骄於士大夫。刚而自矜，以短取败，理数之常也。
关羽败走麦城后被潘璋擒获，英勇赴死，和长子关平一起在临沮被杀，正是“壮志未酬身先死，忠肝义胆照乾坤”，一代忠义名将自此走完了他辉煌的一生。
在这里需要强调一点，关羽此次战败是必然的，孤军直入，战线拉得太长，关羽手下只有几万士卒，从荆州一路打到樊城，对手又是曹魏阵营中大将军曹仁。加上自己过于自傲不懂得统一战线，出征前得罪了盟友。对手下将领的态度较为轻视，用到了才想起来，稍微犯一点错误就大加责罚，不懂得体恤下属，这也是糜芳、士仁临阵投降的重要原因之一。
关羽死后孙权派人把他的首级献给了曹操，表面看是想要讨好他，实际上是为了把祸水引向曹操。曹操却没有上当，而是以诸侯礼把关羽葬在了洛阳。孙权也以诸侯礼把关羽的身躯葬在了当阳，即关陵，也称当阳大王冢。蜀汉则在成都为关羽设了衣冠冢，即成都关羽墓，这就有了关羽“头枕洛阳，身卧当阳，魂归故里”的说法。
关羽自宋朝以来深受各朝代人们推崇，其封号多达三十多个，以彰显他的忠勇无敌，甚至现在，关二爷的形象在民间依然无法动摇。
