劉整“攻宋方略，宜先從事襄陽”的建議被採納後，忽必烈立刻下旨讓都元帥阿術和副元帥劉整，驅動十萬蒙漢大軍，星夜兼程，直逼漢江北岸的襄陽城。一場滅亡南宋的戰鬥——襄樊之戰的大幕拉開了……
劉整知道，襄陽是軍事重地，經過南宋長期經營，城池築得又高又厚，還儲備了大量的作戰物資和糧食，城池四面環水，水中佈滿了大量暗礁、木樁、鐵絲網。別說攻城，就連靠近都非常困難。硬攻是不可能的。於是，他就向忽必烈建議，襄樊戰役宜採取合圍困敵，然後圍點打援的戰略。先通過賄賂南宋荊湖制置使呂文德，在襄樊城外置榷場，通商貿易，然後以防止盜賊、保護貨物為名，在襄樊外圍築造土牆，合圍襄陽。呂文德不識詭計，竟然同意。於是，元人在襄樊東南的鹿門山修築土牆，內建堡壘，建立了包圍襄樊的第一個據點。這樣，蒙軍不費一兵一卒，便將戰線推進到襄樊城腳下。
阿術和劉整到達襄陽城外，史天澤不久也被派往襄陽戰場，三個人登上與襄陽城遙遙相對的峴山，一面觀察地形，一面商議對策。
劉整指著襄陽城外密如蛛網的水道，對阿術說：“元帥請看，襄陽四周被水包圍，沒有善戰的水軍是很難接近的。我軍鐵騎精良，所向披靡，唯水軍不如宋。因此，我建議暫不強攻，先行圍困，然後抓緊操練水軍，修造艦船，待水軍練成再水陸夾擊，便可破敵。”
史天澤說道：“襄陽久困未下，原因在於它還不是一座死城，它和外面還有血脈相通。要真正困死襄陽，必須得進一步加強包圍圈的建設，從陸路和水路把襄陽合圍起來，斷絕其與外界的一切聯繫，這樣才能有效。”
“將軍有何高見？”阿術對史天澤的建議很感興趣，問，“你說說，如何困死襄陽？”
史天澤說：“元帥您看，現在雖然我軍已經修建了一些圍牆，但這些圍牆並不能連在一起。特別是水路，就更沒有防禦設施了，而這恰恰就是襄陽城與外界聯繫的血脈。因此，我軍宜進一步完善圍困辦法，強化圍困措施，主要是分三點，即築新城以困襄陽，築堡萬山以斷漢水西向的交通，立柵灌子灘以絕東流的通道。具體辦法是，水路方面在萬山到百丈山的江中用木樁鐵索築起一道長柵，在江心咽喉處築一座高台，上置火砲、強弩，高台兩側多置石墩，防止敵船馳援襄陽，切斷襄陽通過水上與外界聯繫。
陸路方面要在原有土城的基礎上，在襄陽城東的白河口、鹿門山築堡，切斷與漢東地區的聯繫；在萬山和百丈山築長圍，切斷襄陽糧道，令南北不相通；在峴山、虎頭山築一字城，聯絡諸堡，斷襄、樊樵甦之路；在漢江之西加築新城，完成對兩城的合圍。這樣，整個襄陽就像鐵桶一般，怕是連隻鳥兒也飛不出來。那麼，襄陽城破，只是時間問題了。 ”
阿術大喜，立刻依計行事。
於是，劉整便造戰船，習水軍。先後造船5000艘，日夜操練水軍，又得到四川行省所造戰艦500艘，不久就建立了一支頗具規模的水軍。
襄陽城外，堡壘的修築也如期進行。史天澤親自督促，不久襄樊外圍便修築城堡十多座，把舊有的土城連接，建立起長期圍困襄樊的據點，完全切斷了襄陽與西北、東南的聯繫，襄樊成為一座孤城。此時，元軍基本上實現了對襄樊的戰略包圍目標。
元軍築堡、鎖江，呂文煥十分著急，多次遣人外出求援。可是，呂文德喪失了應有的警惕和軍事判斷力，把此次蒙古人誌在滅宋的侵略戰爭誤作邊境地區經常有的軍事騷擾，不但不以為意，還對呂文煥的信使破口大罵：“汝等妄言邀功！倘若真有此事，也不過是假城而已。襄陽、襄樊的軍需儲備可支持十年！回去告訴呂六（呂文煥），只須固守。若劉整膽敢輕舉妄動，待春汛一到，我親自出征，恐怕到時候他們就要聞風而逃了。”
幸虧呂文德不久就病死了。
南宋政府接到求救的消息，為挽救危局，只得不斷派出軍隊與元軍作戰，試圖解襄樊之圍，於是，襄樊之戰又進入了包圍與反包圍的拉鋸戰，拉開了襄樊之戰第二階段的帷幕。
1267年秋，阿術率軍攻打襄陽，清除襄陽外圍設施，小有勝利。但宋軍乘蒙古回軍之際，在襄陽以西的安陽灘派水軍扼其退路，然後派騎兵直衝其陣，蒙古軍隊大亂，連都元帥阿術都險些被宋軍活捉。蒙將懷都選善識水性的士卒泅水奪得宋軍戰艦，其餘將領奮勇拼殺，才將宋軍擊退，轉敗為勝。
1267年冬，南宋任命呂文煥知襄陽府，兼京西安撫副使。次年十一月，為打破蒙古軍對鹿門、白河的包圍，呂文煥命襄陽守軍進攻蒙古軍，但被蒙古軍隊打敗，宋軍傷亡慘重。
咸淳五年（1269年）三月，宋將張世傑率軍與包圍樊城的蒙古軍作戰，又被阿術打敗。七月，沿江制置使夏貴率軍乘秋雨不斷，漢水暴漲，救援襄陽。夏貴採用聲東擊西之計，分遣舟師在東岸的林谷間出沒，試圖吸引蒙古軍的注意力，然後出其不意地攻擊蒙古軍築於西岸的城堡。可此計被阿術識破，他下令元軍舟師集結於虎尾洲，為準備偷襲的宋軍張開了一個口袋。次日，夏貴的主力果然進入了元軍的埋伏圈，結果被打得大敗，有五十多艘戰艦沉毀，溺斃者不計其數。
咸淳六年（1270年）春，呂文煥兵出襄陽，攻打萬山堡，企圖撕開包圍圈。蒙古軍誘敵深入，大敗宋軍；九月，宋殿前副都指揮使范文虎率水軍十幾萬人增援襄陽，但主將畏敵，不敢力戰，還沒有交戰，就先行撤退，結果被蒙古軍水陸兩軍夾擊，十幾萬兵馬全軍覆沒。
這期間唯一一次成功的救援是，1271年四月，著名的“二張援襄”的傳奇式行動。
1271年四月，宋將李庭芝自行招募襄陽、郢州等地民兵3000餘人，以張順、張貴為首領，自發組織了救援襄陽的行動。
此時的襄陽已被困五年之久，城內彈盡糧絕。呂文煥數次向朝廷求救，但都如泥牛入海。有識之士也都紛紛上書奏請朝廷出兵，但都是無果而終。
張順與張貴都是南宋地方武裝組織將領，長期抵抗蒙古入侵，有豐富的實戰經驗。他們和麾下3000將士都很清楚，這次救援兇多吉少。他們要面對的是，由幾十萬凶悍元軍組成的幾乎不可逾越的封鎖線。面對如此強敵，以區區3000人去突破封鎖無異於去送死。但是，他們更清楚，此刻深陷重圍五年之久的襄陽軍民對援兵那種望穿秋水般的渴望。於是，出征前，作為主將的張順以必死的決心勉勵全軍將士。他明確告知將士：“這次救援襄陽的行動，任務十分艱鉅，每個人都要有必死的決心和鬥志，你們當中的有些人並非出於自願，那就趕快離開，不要影響這次救援大事。”
主將不懼生死，戰士自然群情振奮，3000將士同仇敵愾，士氣大振，紛紛表達願與敵軍決死一戰的心願。
一切準備就緒後，五月，張順、張貴在高頭港集結了百餘艘輕型艦船組成的艦隊，船上滿載糧食、藥品、食鹽、餉銀和布匹等物資。張順、張貴把船隻連成方陣，張貴在前，張順在後，率艦隊冒死衝入元軍重圍。他們用三弓床弩砲向敵艦發射火箭，密集的火箭呼嘯著飛向元軍艦隊，擊中目標後發生密集的爆炸並引起大火。元軍大量大型戰艦迅速被點燃，成為一座座漂浮在水上的“火山”。江面上烈焰沖天，濃煙滾滾，成為一片火海！宋軍一面用火槍、火砲猛轟元軍艦船，一面趁亂用事先準備好的板斧斬斷元軍佈設在江中的無數攔截鐵索，轉戰一百二十餘里，終於在五月二十五日抵達襄陽！這是襄陽被困五年來第一次得到外來增援，極大地鼓舞了襄、樊軍民的士氣。他們送去的物資緩解了城內軍民的危局。宋軍支援艦隊的全體將士用自己的生命完成了一次在交戰雙方看來都是不可能完成的史詩般的航行！
激戰中，作為艦隊主將的張順不幸在戰鬥中身中四槍六箭，壯烈殉國。幾天以後，襄陽軍民找到他的遺體。戰死的張順依然身披鎧甲，手執長弓，保持著作戰時的姿勢。襄陽軍民為紀念張順，將他厚葬並立廟祭祀。而另一名主將張貴，則在後來打通襄陽與郢州的水上交通線戰鬥中，由於叛徒出賣陷入元軍重圍。在力戰身中十餘槍後被俘，英勇不屈，被殘忍殺害。從此，襄陽、襄樊前線永遠斷絕了與外界的聯繫，直至1273年二月襄陽陷落。
這一時期，宋蒙兩軍雖然在襄、樊外圍進行了長達三年的拉鋸戰，但因蒙古軍包圍之勢已經形成，宋軍無論是救援還是突圍，都未能成功，宋軍只好困守襄陽，敗局已定。
看看發起總攻的條件已經成熟，元軍襄、樊都元帥府帳內蒙漢將領又在商討。
阿里海牙首先說：“襄陽之有樊城，猶齒之有唇也。況且有'鐵打的襄陽，紙糊的樊城'之說。我們應先拿下樊城，撤掉襄陽的藩籬，則襄陽可不攻而得。”
張弘範說道：“阿里海牙將軍說得對！襄、樊互為犄角，互相支援，我軍在兩城之間難以立足。江上浮橋，更是兩城來往的通道。我們應派出敢死隊，砍斷浮橋，切斷兩城的聯繫，然後再集中力量攻下樊城，這樣襄陽孤掌難鳴，自然不戰而潰。”
忽報忽必烈派遣的砲匠帶炮馳援，阿術大喜，立刻吩咐先下樊城，孤立襄陽。
咸淳九年（1273年）初，元軍精銳部隊三萬多人分別從東北、西南方向進攻樊城。元軍先燒毀了樊城與襄陽之間的江上浮橋，切斷襄陽城中援兵的救助，然後用威力巨大的砲猛烈轟擊樊城。
這種威力巨大的火砲，是從伊兒汗國得來的，堪稱當時最先進的武器。它拋射重，射程遠，能發射重約150公斤的巨石，落地時砸深達7尺有餘。每轟一炮，則聲震天地，所擊無不摧陷。
在猛烈的砲石的打擊下，樊城西南角被攻破。守將範天順力戰三天，終於不支，無奈自縊而死。副將牛富率軍巷戰，與元軍展開諸巷諸屋的爭奪，但終因寡不敵眾，最後投火殉職，樊城陷落。
樊城被奪，襄陽更加孤立無援，但呂文煥仍日夕登城，防守不懈。元軍日夜攻城，襄陽仍屹立不倒。
呂文煥告急。但是，此時的南宋朝廷在權相賈似道的把持下，封鎖消息，終日鬥蟋蟀，玩女人，日夜歡歌，過起了紙醉金迷的奢靡生活，根本不思救援襄陽之事。時人楊僉判有《一剪梅》詞譏諷此事：
襄樊四載弄乾戈，不見漁歌，不見樵歌。試問如今事若何？金也消磨，谷也消磨。
《柘枝》不用舞婆娑，醜也能多，惡也能多！朱門日日買朱娥。軍事如何？民事如何？
襄陽城中軍民拆屋作柴燒，既無力固守，又無援兵救援，已陷入絕境。 1273年二月，阿里海牙由樊城攻打襄陽，用砲轟垮襄陽城樓。此時，忽必烈要阿術效仿曹彬，不可濫殺一人的旨意被襄陽民眾耳聞，於是城中軍民人心動搖，紛紛出城投降。元軍恩威並施，又對呂文煥勸降，呂文煥孤立無援，看看回天無力，遂舉城投降元朝。襄樊戰役以南宋襄、樊二城的最終失陷而告結束。
襄樊戰役從安陽灘之戰開始，歷經宋呂文煥反包圍戰，張貴、張順援襄之戰，龍尾洲之戰和樊城之戰，終因孤城無援，咸淳九年呂文煥在巨砲威脅下降元，歷時近六年，以南宋失敗、襄樊陷落而告結束。此戰巧妙實踐了“用智巧取，以力強取”的戰略，先合而圍之，構築了包圍襄樊的堡壘，以逸待勞，然後圍點打援，粉碎南宋反包圍企圖。在戰術上則注重訓練，製造戰船，彌補元軍的不足，最終洞開了南宋的大門。
襄、樊失陷後，南宋門戶洞開，形勢急轉直下。元軍順漢水長驅東下，強渡長江，次年鄂州投降。至此，忽必烈的既定目標——上阻四川、下達江左的戰略目標得以實現。