公元219年(建安二十四年)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。
建安二十四年十二月，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)。
公元260年(景耀三年)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”。