关羽在包围樊城之后，虽然暂时取得了局势的上风，但随着曹军援军源源不断的到来，也感到越发吃力，之后，后方沦陷的消息传来，关羽被迫退军。
【对战徐晃】
在于禁失败之后，曹操又派徐晃来支援曹仁，徐晃一开始因为兵少并没有对关羽造成太大的威胁，不过后来曹魏援军不断，徐晃兵力越来越多，关羽逐渐支撑不住。
早先徐晃到达樊城后，关羽把曹仁围困得非常严密，其他援军也尚未赶到，徐晃的部下还大多是新兵，很难同关羽作战，人马不足以解樊城之围，但当时众将却催促徐晃赶快出兵救援，徐晃屯驻在阳陵陂进退两难。
辛好当时赵俨以议郎的身份南行去参予曹仁的军事行动，于是赵俨就对众将说：“如今敌寇把樊城围困得异常坚固，比积水还要严密，我军步卒势单力薄，而曹仁又被隔断不能同力破敌，仓促出兵救援对内外都不利。目前不如命前军进逼包围圈，暗地里派间谍通报曹仁，让他知道城外救兵已到，以此来激励将士。算来北路援军不过十天也会赶到，城内兵将在这段时间内足以据城坚守。然后里应外合，发起攻击，敌寇一定会被打败。如有救援迟缓的责难，我愿担当责任。”后来曹操又返回来，派将军徐商、吕建等人去见徐晃，传令说：“必须等兵马全集中，再一起向前出去。”
于是众将不在催促，于是一面挖地道，一面用弓箭把书信射入城中通报曹仁，几次互通消息，为日后的反攻做好了准备。
【援军不断】
为了击败关羽救援曹仁，曹操一方面自己亲自南下，另一方面从各地调兵支援，当时曹操前后派殷署、朱盖等一共十二营的部队到徐晃这儿来帮助其对抗关羽，此外张辽等将领当时也在路上。
当时曹操先以朝廷的名义下诏征召兖州刺史裴潜及豫州刺史吕贡等引军赴令，一开始裴潜以为只是这只是一般的召集，于是在收到诏令后只是慢慢地整军。
扬州温恢见裴潜毫不知情，便跟他密谈说：“从现在的状况观察，必然是丞相知道襄阳一带军情告急，想要你们立刻引军前往支援了。之所以不下令紧急召集，只是不想让其它地方的守军都受到惊扰动摇而已。此数日内你必然会收到密书催促你立即进军，而张辽等大将亦将会收到召集令。张辽他们久从主公，必定知晓主公的深意，届时如果他们的军队比你们这些早已收到诏令者更早赶赴战场的话，你必定要受到责罚！”
裴潜听从了温恢之言，立刻留下辎重，下令军队以轻装快速出发。不久后，裴潜果然收到紧急召集的密书，而张辽等人亦果然也被征召，尽如温恢所预料的情况一样。
【关羽败退】
当时关羽派兵在偃城屯扎，徐晃到达后，设计挖掘堑壕，作出要截断敌人后路的样子。关羽部队就烧毁自己的营寨逃跑了。徐晃占领偃城后，两面营寨相连，又稍微前进到距离敌人的包围圈三丈左右的地方，却没有进攻。敌人的围头有兵屯驻，另外还在四冢驻军。徐晃扬言要攻打围头的守敌，却秘密地进攻四冢，关羽看到四冢要被攻破，亲率五千步、骑兵出战，徐晃迎击，关羽退去，徐晃便乘胜追击，一鼓作气冲入敌围，大破敌军，很多人自投沔水而死。
据《蜀记》记载，战前，由于关羽和徐晃是同乡而且关系很好，两人隔着遥远对话，但说平生，不及军事，不久徐晃下马宣军令：“得关云长首级的人，赏金千斤。”关羽惊怖，说：“大哥，你说的这是什么话？”徐晃回答：“这是国家之事。”
另据《资治通鉴》记载，徐晃将包围圈被打破后，背叛国家的傅方、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。
不过随着曹军源源不断的到来，关羽压力越来越大，加上很快南郡沦陷的消息就传到军中，关羽军心动摇，无力再战，遂彻底退兵。
在关羽退军之时，曹仁召集众将商议军情，大家都说：“如今关羽处境危急，一定会惊慌失措，乘胜追击定能将他活捉。”
赵俨却说：“孙权趁关羽处境困难，想要偷偷断了他的后路，又顾虑关羽回兵救援，怕我军乘他们两军疲惫之机采取行动，因此和我们合作，愿为我们效力，而实际上暂在一旁随机应变，以观胜败。如今关羽已成为孤军，更应留下他作为孙权的心腹之患。如果穷追不舍，孙权就会改变想法，怕关羽被打破后我军将攻击东吴，他就会为我军制造麻烦。我想魏王此时也一定在为此而深谋远虑。”曹仁于是暂缓追击。曹操听说关羽败走，惟恐众将追赶，果然急忙派人传令给曹仁，就像赵俨所策划的那样。
不过关羽退兵之后，襄樊一带的乱局并没有结束，曹操死后，曹丕上位，一度放弃了襄樊，后孙权直接捡了便宜，曹丕反悔后，又将襄樊夺回。
樊城、襄阳城危之时，曹操将名将张辽和诸将皆调回，以援曹仁，然张辽等未至，徐晃已解二城之围，其功可比张辽的合肥之役。
曹操在一篇令中说：“敌人围堑鹿角十重，将军致战全胜，遂陷贼围，多斩首虏。我用兵三十余年，以及所听说过的古代善于用兵的人，没有能够这样长驱直入敌围的。况且樊、襄阳之围，胜过以前的莒、即墨之围，所以将军之功，胜过孙武、穰苴。”（注：成语“长驱直入”即由此而来