曹操布置完畢，即從洛陽動身，打算親自南救曹仁。群臣催促曹操速行，擔心去遲了樊城失守。隻有侍中桓階持不同意見。他問曹操：“大王認為曹仁他們能不能相機處置好事情？”
曹操不假思索地回答：“能。”
桓階又問：“大王是擔心曹仁他們不肯努力作戰吧？”
“不。”曹操斬釘截鐵地回答。
“那麼為什麼要親自帶兵前往呢？”
“我擔心敵人眾多，徐晃等人難以對付。”
桓階侃侃而談：“現在曹仁他們雖身處重圍而能夠死守下來，是因為大王掌握重兵在遠處支援他們。身處萬死之地，必有死爭之心，內懷死爭之心，外有強兵相救，何必擔心他們會失守而非得親自前去不可呢？”
曹操覺得桓階說得有理，於是在到達摩陂後停留下來。同時，先後派遣殷署、朱蓋等十二營前去支援徐晃。
各路援軍會齊後，徐晃決定趁關羽舉棋不定的時候發起攻擊。關羽軍分別屯駐圍頭和四家。關羽見四家將被攻破，於是親自帶著步騎五千出戰。據說關羽同徐晃過去曾有過一段交情，因此在陣前見了，便遠遠地站著敘起舊來，卻都不提雙方交戰的事情。聊了一會兒，徐晃突然下馬宣布：
“誰能砍下關雲長的頭，賞金千斤！”
關羽大驚，對徐晃說：
“大哥，你這說的是什麼話？”
徐晃回答：
“這是國家的事情！”
曹軍於是猛攻上去，關羽抵擋不住，往後敗退。關羽營寨設有十重鹿角，十分牢固，徐晃率軍追擊，尾隨關羽敗軍衝入敵營，大敗敵軍，並殺死了投降關羽的南鄉太守傅方、荊州刺史胡修等人。關羽損失慘重，隻得撤了樊城之圍。
孫權偷襲荊州的計劃也在順利地進行著。孫權親自率軍西上，派呂蒙為前部。呂蒙到尋陽後，挑選大船80餘隻，全部偽裝成商船，艙中隱藏精兵，搖櫓的人換上白衣服，扮作商人模樣，晝夜兼行，溯江而上，直趨南郡。江邊烽火台守軍盤問，白衣商人答道：“我們是客商，在江中遇上大風，到此暫避。”並將財物送給守台士兵。守軍相信了這些話，便讓他們泊船於岸邊。到了二更天，東吳商船內精兵齊出，將沿江烽火台的守軍全部活捉，不使一個逃脫。這時留守公安的是將軍士仁，留守江陵的是南郡太守糜芳，他們都對關羽心懷不滿，暗中同孫權有了聯係，這時便都聽從勸告，未作抵抗便先後開城投降了，呂蒙大軍一擁而入，奪取了荊州。
關羽圍攻樊城失利，緊接著得到了孫權偷襲荊州的確切消息，立即撤兵回救。樊城守將看到關羽撤退，不少人主張乘勝追擊。參軍趙儼不同意，說：
“孫權利用關羽進兵襄樊的時機，偷襲關羽後方。他怕我們趁關羽回救江陵時進攻他們，所以來信表示友好，願為消滅關羽效力。現在關羽已經勢孤，應當保留他，讓他去對付孫權。如果對關羽窮追不舍，就會引起孫權的疑心，對我們是不利的。魏王肯定也十分擔心這個問題。”
曹仁覺得趙儼說得有理，因此沒有去追擊關羽。曹操得知關羽撤兵的消息，果然擔心諸將前去追擊，立即派人送來了不準追擊的命令，理由同趙儼所說的完全一樣。
呂蒙占據江陵後，對關羽及其將士的家屬實行優撫，下令部隊不得侵擾百姓，對那些德高望重的老人予以特別照顧，有病的給醫藥，饑寒者送衣糧，城中秩序很快得到了恢複。關羽在南撤途中，幾次派人到江陵打探情況，呂蒙對來人都給予厚待，讓他們自由走訪，並允許他們將城中將士家屬的信件帶回軍中。關羽手下的將士得知家屬一切平安，生活比以前還要安定，便都喪失了鬥誌，不少人還離營逃回了江陵。關羽自知勢孤，隻得向西退守麥城。孫權圍住麥城，一麵派人進城勸關羽投降，一麵讓朱然、潘漳帶兵截斷關羽的逃路。這年十二月，關羽假裝投降，暗中帶著十餘騎突圍，在漳鄉被潘璋的司馬馬忠擒獲，旋即被殺。其子關平及都督趙累等同時遇害。
呂蒙占據江陵的同時，陸遜攻取了宜都郡，占領了秭歸、枝江、夷道等地。至此荊州南部地區全部落到孫權手裏。孫權以呂蒙為南郡太守，封孱陵侯，賜錢一億，黃金五百斤。以陸遜為撫邊將軍，宜都太守，封華亭侯，率軍駐守夷陵，扼守西陵峽口以防禦劉備。
孫權殺掉關羽後，派專人把關羽的首級送給曹操，這一方麵是為了對曹操表示歸附之意，另一方麵也是為了嫁禍曹操，以期引起劉備對曹操的不滿。然後，以諸侯之禮將關羽的身軀安葬。曹操收到關羽首級後，將其隆重地安葬在洛陽。