当时孙权进攻合肥。曹魏的主力都驻守在淮南。扬州刺史温恢对兖州刺史裴潜说：“此处虽然有贼人，却不值得担忧。现在刚刚涨水，征南将军曹仁却孤军深入，没有长远的准备，关羽强悍狡猾，只恐怕征南将军会有变故。”不久，关羽果然令南郡太守糜芳守卫江陵，将军士仁守公安，他自己率军向樊城的曹仁进攻。
曹操派出大将于禁率领七军援救襄樊。立义将军庞德与关羽交战，引箭射中关羽前额。其时庞德常乘白马，关羽军皆谓之白马将军，对他甚为忌惮。
到了八月，天降大雨十余日，汉水因此暴涨，关羽因掘江堤以大水灌于禁军，于禁军虽在平地，却被水淹五六丈，于禁七军都被淹没，于禁只与诸将登高望水，无所回避，关羽乘大船进攻于禁，于禁投降。曹操得知于禁投降的消息非常惊异。
关羽乘船进攻庞德军，庞德的军队大多投降关羽，庞德寡不敌众，最后被关羽所擒，庞德的兄长在蜀汉汉中为官，关羽因此想要劝降庞德，但是庞德大骂不肯降，关羽于是将其斩首。
关羽乘胜对樊城发起猛攻，樊城进水，城墙崩塌，而曹仁的守军也因为多次战败而大量削减，只剩下几千人，樊城被围数重，外内断绝，粮食也快被吃完，众将都惶恐不安。曹仁在满宠的劝说下，与将士们盟誓，以死守城。关羽又派别的将领把将军吕常包围在襄阳。荆州刺史胡修、南乡太守傅方都投降了关羽。
同年十月，陆浑民孙狼等苦于徭役，叛上作乱，南附关羽，遥受关羽印号，为之支党， 关羽的声势一度威震华夏。
败走麦城
建安二十四年(219年)末，曹
操以为汉献帝在许，与关羽军相近，欲迁都避其锋芒，司马懿、蒋济等劝阻，认为孙权必然不愿看到关羽得志，可以用答应将江南封给孙权为条件让他从背后出兵攻击关羽。同时曹操派遣徐晃、赵俨等率军救援樊城，更准备亲自征讨关羽。
救援樊城的徐晃因兵力不足，认为很难与关羽抗衡，不过之后曹操先后派遣徐商、吕建等将领以及殷署、朱盖等十二营兵马增援徐晃。关羽在围头派有军队驻守，在四冢还有驻军。徐晃于是扬言将进攻围头，却秘密攻打四冢。关羽见四冢危急，便亲自率领步、骑兵五千人出战，徐晃迎击，关羽退走。关羽在堑壕前围有十重鹿角，徐晃追击关羽，二人都进入关羽对樊城的包围圈，包围圈被打破，傅方、胡修都被杀死，关羽于是撤围退走，然而关羽的船只仍据守沔水，去襄阳的路隔绝不通。
而孙权命吕蒙为主帅偷袭荆州，并亲自率军为后援。荆州重镇江陵守将麋芳(刘备小舅子)、公安守将士仁因与关羽有嫌隙而不战而降。
此时关羽得知南郡失守后，立即向南回撤。回师途中，关羽多次派使者与吕蒙联系，吕蒙每次都厚待关羽的使者，允许在城中各种游览，向关羽部下亲属各家表示慰问，有人亲手写信托他带走，作为平安的证明。使者返回，关羽部属私下向他询问家中情况，尽知家中平安，所受对待超过以前，因此关羽的将士都无心再战了，士卒渐渐溃散，退至麦城。同年十二月，关羽率数十骑出逃，一路突围至距益州不过一二十里的临沮(今湖北省襄樊市南漳县)，遇潘璋部将马忠的埋伏，被擒，和长子关平于临沮被害。
孙权将关羽首级送给曹操，曹操以诸侯之礼将其安葬于洛阳，同时孙权则将关羽身躯以诸侯礼安葬于当阳， 即关陵，也称当阳大王冢。蜀汉在成都为关羽建衣冠冢，即是成都关羽墓，以招魂祭祀。因此民间也称关羽“头枕洛阳，身卧当阳，魂归故里(或称‘魂归山西)。
景耀三年(260年)九月，蜀汉后主刘禅(shàn)在追谥几位重要大臣时，追谥关羽为“壮缪侯”。
历史评价
陈寿：“关羽、张飞皆称万人之敌，为世虎臣。羽报效曹公，飞义释严颜，并有国士之风。然羽刚而 自矜，飞暴而无恩，以短取败，理数之常也。”
程昱：“刘备有英名，关羽、张飞皆万人之敌也， 权必资之以御我。”
郭嘉：“张飞、关羽者，皆万人之敌也，为之死用。”
傅干：张飞、关羽勇而有义，皆万人之敌，而为之将。”
周瑜：“刘备以枭雄之姿，而有关羽、张飞熊虎之将，必非久屈为人用者。”
刘晔：“关羽、张飞勇冠三军而为将。”
温恢：“关羽骁锐，乘利而进，必将为患。”
吕蒙：“斯人长而好学，读左传略皆上口，梗亮有雄气，然性颇自负，好凌人。”“今东西虽为一家，而关羽实熊虎也，计安可不豫定?”
诸葛亮：“孟起兼资文武，雄烈过人，一世之杰，黥、彭之徒，当与益德并驱争先，犹未及髯之绝伦逸群。”
廖立：“是羽怙恃勇名，作军无法，直以意突耳，故前后数丧师众也。”
杨戏：“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，侔迹韩、耿，齐声双德。交待无礼，并致奸 慝，悼惟轻虑，陨身匡国。”
袁准：“张飞、关羽与刘备俱起，爪牙腹心之臣，而武人也。 ”
张辅：“张飞关羽，皆人杰也。”
葛洪：“咸谓勇力绝伦者，则上将之器;洽闻治乱者，则三九之才也。然张飞关羽万人之敌 ，而皆丧元辱主，授首非所。”
阎负、梁殊：“骁勇多权略，攻必取，战必胜，关、张之流。”
张仲宣：“张辽运筹之方，可以归之於先轨;关羽搴旗之效，可以论之於后尘。”
黄茂才：“气盖世，勇而强。万众中，刺颜良。”
陈亮：“夫关羽好勇而无谋，恃气而骄功，此其势甚易谲也。”
“关帝诗竹碑”的各种版本
陈元靓：“剑气凌云，实曰虎臣。勇如一国，敌万人。蜀展其翼，吴折其鳞。惜乎中勇，前后绝伦。”
郝经：“羽、飞昭烈啑血起义，夙定君臣之分，期复汉室，百折兴王。阚如两虎啸风从龙，夹之以飞，雄猛震一世，号称万人敌。羽报效于操，致书而去，飞瞋目横矛，而与操决。矫轿义烈，上通于天，汉于是乎不亡。”
杨博：“维帝忠义昭宇宙，功业垂史册，祀祠遍天下，黄发稚齿，极海穷边，靡不崇重。而帝之随在者灵，威盖显赫，千载一日。”
