于禁束手就擒，副将庞德被杀，三万精锐被俘。曹操的荆州刺史胡修、南乡太守傅方、荆州主簿杨仪等都投降关羽，樊城被围成孤城，关羽一战威震华夏。

此战令曹操心力憔悴，群臣甚至进谏，要将汉献帝从许都迁走。

此战更让孙权决定放手一搏，若关羽控制整个荆州，孙刘联盟的孙吴一方必然成为蜀汉的附庸。

孙权立刻与曹操订立秘密同盟，曹操为表达诚意，撤走合肥、居巢等地的军队，给东吴缓解压力。

十月，东吴的荆州都督吕蒙率军偷袭荆州，镇守公安的士仁、江陵（今荆州）的麋芳因与关羽有嫌隙开城投降。

吕蒙坐镇江陵，下令东吴军不可擅取百姓东西，发放荆州的储备军粮供给当地百姓。如此收拢民心，是没有撤兵的打算。更致命的是，吕蒙下令不得骚扰关羽军家眷，关羽军队的家属都得到优待，好一招釜底抽薪，这令关羽军心动摇。

曹操方面也没有闲着，令徐晃前往支援樊城。徐晃稳扎稳打，关羽这边备受煎熬。十月初九，关羽撤围樊城，不过仍未撤兵。早先投降关羽的荆州刺史胡脩、南乡太守傅方被阵斩，关羽由攻转守。

关羽的大本营落入东吴之手，与吕蒙和谈不成，只得撤离襄阳和樊城前线，南下回援。

十一月，东吴陆逊率李异、谢旌等攻陷秭归、枝江、夷道，守长江西陵峡口。蜀汉宜都郡守樊友逃跑，房陵太守邓辅、南乡太守郭睦、将领詹晏、陈凤、秭归大姓文布、邓凯皆被陆逊大败，陈凤被俘后投降，文布被陆逊招降，关羽从三峡撤往益州的道路断绝。

十二月，关羽退守麦城（今湖北省当阳市两河镇麦城村）时，还有两万人马，但遭到东吴大军的团团围困。

麦城是江陵以北的一座重镇，早在春秋时期，楚昭王芈壬兴建了这座要塞，作为郢都（三国时江陵，今荆州）以北的一座屏障。

公元前506年，伍子胥、孙武率吴军伐楚，曾在麦城与楚军激战数月。当时的麦城城墙高筑、防御坚固，吴军在此迟滞不前、久攻不克。伍子胥命人在麦城东西两侧修筑“驴城”与“磨城”，两城军士轮番对麦城强攻，楚军在城中疲于奔命、终日无休，最终兵败城陷。

孙权派使者劝降关羽，关羽假装答应，城上放满假人，迷惑对方。不过孙权早已派朱然、潘璋断其后路。关羽突围后，路上军队溃散，身边只剩十余骑。

麦城是关羽生前最后一处防御阵地，同时也是他跌下神坛之地。后世出现“走麦城”一词，形容从巅峰坠落至谷底。

关羽在夹石，被东吴大将潘璋麾下马忠部的绊马索重伤，在章鄕被马忠部下所擒。孙权下令立刻斩首关羽，于是在距江陵两三百里外的临沮（今湖北省襄阳市南漳县），东吴军将关羽、关平斩首。

孙权怕遭刘备报复，将关羽身躯以诸侯礼安葬于当阳，将关羽首级送至洛阳曹操处，曹操以诸侯之礼将其安葬于洛阳。蜀汉则在成都为关羽建衣冠冢，即成都关羽墓。关羽故乡山西运城解州则建了关帝庙，是关羽魂魄归返之处。因此民间也称关羽“头枕洛阳，身卧当阳，魂归故里”。