襄樊之戰歷時近六年，是戰爭史上罕見的持久戰，蒙（元）數十萬大軍的裝備、後勤物資源源不斷的運來，馬匹輪流到山西馬場就醫、輪休。顯然，一個沒有高超管理工程技術的遊牧民族是不可能做到的，現在南宋所面對的蒙古（元），早已不是那個在草原上游擊的馬背民族了。鹹淳三年（元至元四年，1267年）秋，兀良合臺之子阿術率騎兵試攻襄陽，在城西安陽灘被宋水軍所阻。宋軍趁機出騎兵衝殺，蒙軍大敗，阿術在亂軍中墜馬，險些被擒，後奪船狼狽逃回。鹹淳四年六月，忽必烈汗以徵南都元帥阿術爲蒙古軍都元帥，昭武大將軍、南京路宣撫使劉整爲漢軍都元帥，進圍襄樊。壯烈的襄樊保衛戰就此展開。蒙軍選擇了穩妥的圍城打援戰術，並不急於攻城，而是“連珠紮寨，圍數十里不得通。”準備困死孤城，此前修築的城堡也都起到了重要作用。呂文煥首先嚐試打破包圍，率兵出城攻擊蒙軍諸砦，阿術率兵奮力抵抗。激戰後宋軍未能打破包圍，退回城內，呂文煥向京湖制置司和宋廷報告軍情請援。宋廷以夏貴爲沿江制置副使兼知黃州，調集沿江諸軍會同京湖路軍救援襄陽。
但蒙軍早有準備，堅守要衝城砦，將援軍擋在城外。鹹淳五年初，忽必烈汗遣中書左丞相、樞密副使史天澤偕同駙馬忽剌出、同籤書河南行省事阿里海牙到前線督戰。史天澤下令在襄陽城外幾座大山之間築起數十里長圍，將襄陽完全包裹起來，之後又不斷調兵前來參戰。宋軍也積極救援，三月，京湖都統張世傑率兵救樊城，在遠郊赤灘浦小勝阿術。五月，呂文煥再次率軍突圍，仍沒有成功。六月，荊鄂都統唐永堅出襄陽城突圍，結果兵敗被俘。夏貴曾率糧隊沿江而上，被蒙軍重圍擋住無法進城，恰逢漢水暴漲，乘船衝入城內，將糧食成功運入。鑑於此，張柔之子行軍萬戶張弘範建議在城西萬山增築水柵堡壘，史天澤派張弘範於十二月築成。萬山堡阻斷了襄陽水路交通，呂文煥出動大量步騎、戰船來攻，均被張弘範擊敗，襄陽的交通被完全阻斷。蒙軍又在漢水中築臺，阻止宋軍從漢水入援。年底，呂文德卒於鄂州，次年初，宋廷以兩淮制置使李庭芝接任京湖制置大使。鹹淳六年，殿前司副都指揮使范文虎率戰船兩千餘艘來援襄陽，被蒙軍所阻。
次年五六月間，漢水暴漲，各路宋軍趁機衝破阻攔，紛紛將補給物資運入城內。忽必烈汗令各路蒙軍向四川、兩淮發起進攻，以牽制宋軍對襄陽的救援，並繼續增兵圍困襄樊。宋度宗鹹淳七年（元世祖至元八年，1271年）十一月，蒙古以漢制建立元帝國，忽必烈汗即爲元世祖。鹹淳八年，劉整、阿里海牙率元軍攻破樊城外城，宋軍陣亡兩千餘人，但依然堅守內城。雖然沿江制置副使孫虎臣、湖北安撫副使高世傑又成功將一批物資運入襄樊，但局勢仍顯異常緊張。五月，李庭芝本來想通過襄陽城西北的清泥河派一支部隊入援，而就在這個緊要關頭，殿帥范文虎卻突然不聽命令，只顧宴飲嬉戲。李庭芝無奈，只好在民間募集了3000死士。這支民兵部隊由范文虎之侄武功大夫、右領衛將軍範天順以及張順、張貴兩位頭目帶領。臨行前二張對衆人道：“此行有死而已，各位如果不是真心隨我們去的話，就請馬上離去，不要壞了我們的事。”衆人羣情激昂，高呼願隨！船隊在中途裝上范文虎送來的軍需物資，向襄陽挺進。從範天順帶隊和范文虎送上物資來看，與前文所載的“范文虎不聽李庭芝節制”似乎是矛盾的。
二十四日夜，民兵駕船百艘，均裝備大量火炮、火槍、勁弩和巨斧。元軍艦船佈滿江面，在江中設置鐵鏈、暗樁，無隙可入。宋軍由張貴領先，張順殿後，奮勇衝鋒，用火器射擊元軍艦船，用巨斧斫開江中鐵鏈、暗樁，在一片喊殺聲中，衝入城內！但是殿後的張順卻沒能進城，數日後，屍體漂入城中，“身中四槍六箭，怒氣勃勃如生”。衆人感嘆，爲其立廟祭祀。襄陽城內歡聲雷動，這是被圍四年來第一支入城的援軍，既帶來了必要的物資，又極大振奮了守城軍民的士氣。張貴募集了兩名死士，號稱“能伏水中數日不食”，潛水出城與夏貴約定在城南龍尾洲夾攻元軍。未料臨行前一個獲罪被打過的小校偷跑出去，張貴大驚，但仍發兵出城，期望元軍還來不及反應。張貴率軍奮勇出城，兩岸元軍紛紛來搶，淹死的就有萬餘。當他衝開元軍艦隊阻截來到龍尾洲時，果見夏貴旗號，大喜。然而，這卻是元軍僞裝成夏貴軍在此以逸待勞。張貴長嘆，率軍力戰，身中數十槍，力竭被擒。元軍讓四名降卒擡着張貴的屍體入城勸降，呂文煥殺掉降卒，爲張貴、張順立雙廟祭祀，但城內好不容易鼓舞的士氣又沮喪了。
李庭芝試圖離間劉整，請朝廷封他爲盧龍軍節度使、燕郡王，但元世祖用人不疑，劉整更加死心塌地爲他效力。但隨着襄陽的繼續堅守，形勢開始向宋方傾斜。四川安撫使昝萬壽遣兵進攻成都，元軍戰敗，毀城而去，取得了本階段最大勝果。元帝國經濟實力畢竟有限，雖然集天下資源，並經過多年準備，但是到現在也即將不支，連元世祖自己都開始信心動搖了。宋方很多人也樂觀的認爲，再堅持一段時間，元軍的攻勢就會收場。然而就在此時，元軍的終極武器登場了。蒙軍的火炮技術明顯劣於宋軍，要想在城下與城上的宋軍進行炮戰是不現實的，所以忽必烈汗早就徵求工匠製造新式武器。伊兒汗國下屬的宗王阿不哥以阿老瓦丁、亦思馬因應徵。兩人研製了一種巨型投石機，築在地上，通過機械槓桿動力拋動300斤的巨石，可入地七尺，射程比宋軍火炮更遠。因二人是西域人，故稱“西域炮”。元軍確定了先集中兵力攻克樊城，再攻襄陽的方案。年末入冬，漢水逐漸乾涸，元軍從水路切斷襄陽和樊城的聯繫，集重兵分十二道猛攻樊城。
雖然京湖都統範天順指揮宋軍英勇抵抗，多次打退元軍，但在西域炮的強大火力支援下，元軍奮戰半月，終於在鹹淳九年正月十二日攻入城內。範天順仰天長嘆：“生爲宋臣，死爲宋鬼。”就地自縊殉國，後贈靜江軍承宣使。右武大夫、侍衛親軍馬軍司統制牛富率七百餘士兵繼續巷戰，渴飲血水，殺傷許多元兵。直到道路被燃燒的民房所阻，牛富身負重傷，才赴火而死，後贈金州觀察使。樊城陷落後元軍將城內剩下的人全部屠殺，然後移兵攻襄陽。襄陽被圍近六年，城內軍民非常艱苦，呂文煥每次巡城，都會南望慟哭。現在樊城被破，形勢更加孤危。
先前被俘的唐永堅與呂文煥私交甚厚，劉整先派他入城勸降，被呂文煥拒絕。阿里海牙用西域炮攻城，擊中譙樓，城內人心惶惶。劉整又親自到城下勸降，被伏弩射傷，大怒，要求強攻襄陽，但阿里海牙仍然堅持勸降。二月，元世祖招降詔諭到達，承諾只要呂文煥以城降，可以保全一城軍民性命。按蒙古的規矩，到一座城下，必須馬上投降，只要一抵抗就不再給投降的機會，城破時將全城屠淨。但現在元世祖卻同意不屠殺堅守五六年的襄陽。呂文煥仍狐疑未決，阿里海牙到城下折箭爲誓，呂文煥終於放棄抵抗，舉城獻降。襄陽，這座堅守了近六年，幾乎將元帝國拖垮的要塞，終於易手。