建安二十四年（219年）末，曹操以為漢獻帝在許，與關羽軍相近，欲遷都避其鋒芒，司馬懿、蔣濟等勸阻，認為孫權必然不愿看到關羽得志，可以用答應將江南封給孫權為條件讓他從背后出兵攻擊關羽。同時曹操派遣徐晃、趙儼等率軍救援樊城，更準備親自征討關羽。
救援樊城的徐晃因兵力不足，認為很難與關羽抗衡，不過之后曹操先后派遣徐商、呂建等將領以及殷署、朱蓋等十二營兵馬增援徐晃。關羽在圍頭派有軍隊駐守，在四冢還有駐軍。徐晃于是揚言將進攻圍頭，卻秘密攻打四冢。關羽見四冢危急，便親自率領步、騎兵五千人出戰，徐晃迎擊，關羽退走。關羽在塹壕前設圍了十重鹿角，本來是非常堅固的防線，但因為徐晃對關羽緊追不舍，徐晃的追兵和關羽的敗兵就一起進入了關羽對樊城的包圍圈。于是，包圍圈被打破，傅方、胡修都被殺死，關羽于是撤圍退走，然而關羽的船只仍據守沔水，去襄陽的路隔絕不通。[48]
襄樊之戰示意圖
襄樊之戰示意圖
起先，孫權曾派人為自己的兒子向關羽的女兒求婚，關羽辱罵來使，拒絕結親，孫權十分惱恨。[2]關羽素來善待士卒，但對士大夫們卻很驕橫。[49]糜芳、士仁素來厭惡關羽的輕慢態度。當關羽領兵出征時，糜芳、士仁兩處負責供應糧草軍需，兩人不悉心救助關羽。關羽放出話，說：“回去之后，就懲治他們！”糜芳、士仁聽聞后，都恐懼不安。孫權聽聞后，就暗中派人去誘降糜芳、士仁。孫權命呂蒙為主帥偷襲荊州，并親自率軍為后援。荊州重鎮江陵守將麋芳（劉備的小舅子）、公安守將士仁因與關羽有嫌隙而不戰而降。[50]
此時關羽得知南郡失守后，立即向南回撤。回師途中，關羽多次派使者與呂蒙聯系，呂蒙每次都厚待關羽的使者，允許在城中各種游覽，向關羽部下親屬各家表示慰問，有人親手寫信托他帶走，作為平安的證明。使者返回，關羽部屬私下向他詢問家中情況，盡知家中平安，所受對待超過以前，因此關羽的將士都無心再戰了，士卒漸漸潰散，退至麥城。
建安二十四年（219年）的十二月（公歷的220年1月中下旬和2月上旬），關羽率十余騎出逃，一路突圍至距益州不過一二十里的臨沮，遇潘璋部將馬忠的埋伏，被擒，和長子關平于臨沮被害。[51]
關羽在北伐之前，曾經夢到豬在嚙咬自己的腳，自知不祥，對關平說自己今年可能會遭遇噩運而回不到江陵了。到了年末，關羽果然被吳將呂蒙部下所殺。[52-53]
孫權將關羽首級送給曹操，曹操以諸侯之禮將其安葬于洛陽，同時孫權則將關羽身軀以諸侯禮安葬于當陽，[54]即關陵，也稱當陽大王冢。蜀漢在成都為關羽建衣冠冢，即是成都關羽墓，以招魂祭祀。因此民間也稱關羽“頭枕洛陽，身臥當陽，魂歸故里”（或稱“魂歸山西”）。
景耀三年（260年）九月，蜀漢后主劉禪在追謚幾位重要大臣時，追謚關羽為“壯繆侯”。[55]他的兒子關興繼承了爵位。
景耀六年（263年），龐德之子龐會，隨鐘會伐蜀。蜀漢滅亡后，龐會將關羽全家殺害。