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。关羽在堑壕前设围了十重鹿角，本来是非常坚固的防线，但因为徐晃对关羽紧追不舍，徐晃的追兵和关羽的败兵就一起进入了关羽对樊城的包围圈。于是，包围圈被打破，傅方、胡修都被杀死，关羽撤围退至沔水南岸，船只仍据守沔水，曹军去襄阳的路隔绝不通。

起先，孙权曾派人为自己的儿子向关羽的女儿求婚，关羽辱骂来使，拒绝结亲，孙权十分恼恨。《典略》还记载关羽在攻樊城时，因嫌孙权援兵迟缓而大骂“狢子敢尔”，并表示樊城一旦攻下，就可以灭了孙权。孙权得知后，假意写信向关羽道歉，内心已对关羽产生敌意。关羽素来善待士卒，但对士大夫们却很骄横。南郡太守糜芳和将军傅士仁素来厌恶关羽的轻慢态度。当关羽领兵出征时，糜芳、傅士仁两处负责供应粮草军需，两人不悉心救助关羽。关羽放出话，说：“回去之后，就惩治他们！”糜芳、傅士仁听闻后，都恐惧不安。孙权听说后，就暗中派人去诱降糜芳、傅士仁。孙权命吕蒙为主帅，偷袭荆州。孙权亲自率军为后援，糜芳和傅士仁果然不战而降，南郡陷落。

后来，关羽得知南郡失守，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，允许在城中各处游览，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，在回到当阳后西退至麦城。

建安二十四年十二月，孙权使人诱降关羽，关羽诈降，立幡旗、造象人于城上，趁机出逃。孙权听从吴范之言，知道关羽是诈降，便派潘璋、朱然截断关羽归路。当时关羽身边仅十余骑，一路突围至距益州不过一二十里的临沮，最终和长子关平、都督赵累被潘璋的司马马忠擒获，与关平于临沮被害。起初关羽出逃时，孙权让虞翻占筮，虞翻说：“不出二日，必当断头伤其耳。”最终如虞翻所言。

孙权将关羽首级送给曹操，以诸侯之礼安葬关羽尸骸。

景耀三年九月，蜀汉后主刘禅在追谥几位重要大臣时，追谥关羽为“壮缪侯”。他的儿子关兴继承了爵位。

景耀六年，庞德之子庞会随钟会伐蜀。蜀汉灭亡后，庞会将关羽全家杀害。

曹操：事君不忘其本，天下义士也。

张辽：羽受公恩，必立效报公而后去也。

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。

董昭：羽为人强梁。

刘晔：关羽、张飞勇冠三军而为将。关羽与备，义为君臣，恩犹父子。