刘整“攻宋方略，宜先从事襄阳”的建议被采纳后，忽必烈立刻下旨让都元帅阿术和副元帅刘整，驱动十万蒙汉大军，星夜兼程，直逼汉江北岸的襄阳城。一场灭亡南宋的战斗——襄樊之战的大幕拉开了……
刘整知道，襄阳是军事重地，经过南宋长期经营，城池筑得又高又厚，还储备了大量的作战物资和粮食，城池四面环水，水中布满了大量暗礁、木桩、铁丝网。别说攻城，就连靠近都非常困难。硬攻是不可能的。于是，他就向忽必烈建议，襄樊战役宜采取合围困敌，然后围点打援的战略。先通过贿赂南宋荆湖制置使吕文德，在襄樊城外置榷场，通商贸易，然后以防止盗贼、保护货物为名，在襄樊外围筑造土墙，合围襄阳。吕文德不识诡计，竟然同意。于是，元人在襄樊东南的鹿门山修筑土墙，内建堡垒，建立了包围襄樊的第一个据点。这样，蒙军不费一兵一卒，便将战线推进到襄樊城脚下。
阿术和刘整到达襄阳城外，史天泽不久也被派往襄阳战场，三个人登上与襄阳城遥遥相对的岘山，一面观察地形，一面商议对策。
刘整指着襄阳城外密如蛛网的水道，对阿术说：“元帅请看，襄阳四周被水包围，没有善战的水军是很难接近的。我军铁骑精良，所向披靡，唯水军不如宋。因此，我建议暂不强攻，先行围困，然后抓紧操练水军，修造舰船，待水军练成再水陆夹击，便可破敌。”
史天泽说道：“襄阳久困未下，原因在于它还不是一座死城，它和外面还有血脉相通。要真正困死襄阳，必须得进一步加强包围圈的建设，从陆路和水路把襄阳合围起来，断绝其与外界的一切联系，这样才能有效。”
“将军有何高见？”阿术对史天泽的建议很感兴趣，问，“你说说，如何困死襄阳？”
史天泽说：“元帅您看，现在虽然我军已经修建了一些围墙，但这些围墙并不能连在一起。特别是水路，就更没有防御设施了，而这恰恰就是襄阳城与外界联系的血脉。因此，我军宜进一步完善围困办法，强化围困措施，主要是分三点，即筑新城以困襄阳，筑堡万山以断汉水西向的交通，立栅灌子滩以绝东流的通道。具体办法是，水路方面在万山到百丈山的江中用木桩铁索筑起一道长栅，在江心咽喉处筑一座高台，上置火炮、强弩，高台两侧多置石墩，防止敌船驰援襄阳，切断襄阳通过水上与外界联系。
陆路方面要在原有土城的基础上，在襄阳城东的白河口、鹿门山筑堡，切断与汉东地区的联系；在万山和百丈山筑长围，切断襄阳粮道，令南北不相通；在岘山、虎头山筑一字城，联络诸堡，断襄、樊樵苏之路；在汉江之西加筑新城，完成对两城的合围。这样，整个襄阳就像铁桶一般，怕是连只鸟儿也飞不出来。那么，襄阳城破，只是时间问题了。”
阿术大喜，立刻依计行事。
于是，刘整便造战船，习水军。先后造船5000艘，日夜操练水军，又得到四川行省所造战舰500艘，不久就建立了一支颇具规模的水军。
襄阳城外，堡垒的修筑也如期进行。史天泽亲自督促，不久襄樊外围便修筑城堡十多座，把旧有的土城连接，建立起长期围困襄樊的据点，完全切断了襄阳与西北、东南的联系，襄樊成为一座孤城。此时，元军基本上实现了对襄樊的战略包围目标。
元军筑堡、锁江，吕文焕十分着急，多次遣人外出求援。可是，吕文德丧失了应有的警惕和军事判断力，把此次蒙古人志在灭宋的侵略战争误作边境地区经常有的军事骚扰，不但不以为意，还对吕文焕的信使破口大骂：“汝等妄言邀功！倘若真有此事，也不过是假城而已。襄阳、襄樊的军需储备可支持十年！回去告诉吕六（吕文焕），只须固守。若刘整胆敢轻举妄动，待春汛一到，我亲自出征，恐怕到时候他们就要闻风而逃了。”
幸亏吕文德不久就病死了。
南宋政府接到求救的消息，为挽救危局，只得不断派出军队与元军作战，试图解襄樊之围，于是，襄樊之战又进入了包围与反包围的拉锯战，拉开了襄樊之战第二阶段的帷幕。
1267年秋，阿术率军攻打襄阳，清除襄阳外围设施，小有胜利。但宋军乘蒙古回军之际，在襄阳以西的安阳滩派水军扼其退路，然后派骑兵直冲其阵，蒙古军队大乱，连都元帅阿术都险些被宋军活捉。蒙将怀都选善识水性的士卒泅水夺得宋军战舰，其余将领奋勇拼杀，才将宋军击退，转败为胜。
1267年冬，南宋任命吕文焕知襄阳府，兼京西安抚副使。次年十一月，为打破蒙古军对鹿门、白河的包围，吕文焕命襄阳守军进攻蒙古军，但被蒙古军队打败，宋军伤亡惨重。
咸淳五年（1269年）三月，宋将张世杰率军与包围樊城的蒙古军作战，又被阿术打败。七月，沿江制置使夏贵率军乘秋雨不断，汉水暴涨，救援襄阳。夏贵采用声东击西之计，分遣舟师在东岸的林谷间出没，试图吸引蒙古军的注意力，然后出其不意地攻击蒙古军筑于西岸的城堡。可此计被阿术识破，他下令元军舟师集结于虎尾洲，为准备偷袭的宋军张开了一个口袋。次日，夏贵的主力果然进入了元军的埋伏圈，结果被打得大败，有五十多艘战舰沉毁，溺毙者不计其数。
咸淳六年（1270年）春，吕文焕兵出襄阳，攻打万山堡，企图撕开包围圈。蒙古军诱敌深入，大败宋军；九月，宋殿前副都指挥使范文虎率水军十几万人增援襄阳，但主将畏敌，不敢力战，还没有交战，就先行撤退，结果被蒙古军水陆两军夹击，十几万兵马全军覆没。
这期间唯一一次成功的救援是，1271年四月，著名的“二张援襄”的传奇式行动。
1271年四月，宋将李庭芝自行招募襄阳、郢州等地民兵3000余人，以张顺、张贵为首领，自发组织了救援襄阳的行动。
此时的襄阳已被困五年之久，城内弹尽粮绝。吕文焕数次向朝廷求救，但都如泥牛入海。有识之士也都纷纷上书奏请朝廷出兵，但都是无果而终。
张顺与张贵都是南宋地方武装组织将领，长期抵抗蒙古入侵，有丰富的实战经验。他们和麾下3000将士都很清楚，这次救援凶多吉少。他们要面对的是，由几十万凶悍元军组成的几乎不可逾越的封锁线。面对如此强敌，以区区3000人去突破封锁无异于去送死。但是，他们更清楚，此刻深陷重围五年之久的襄阳军民对援兵那种望穿秋水般的渴望。于是，出征前，作为主将的张顺以必死的决心勉励全军将士。他明确告知将士：“这次救援襄阳的行动，任务十分艰巨，每个人都要有必死的决心和斗志，你们当中的有些人并非出于自愿，那就赶快离开，不要影响这次救援大事。”
主将不惧生死，战士自然群情振奋，3000将士同仇敌忾，士气大振，纷纷表达愿与敌军决死一战的心愿。
一切准备就绪后，五月，张顺、张贵在高头港集结了百余艘轻型舰船组成的舰队，船上满载粮食、药品、食盐、饷银和布匹等物资。张顺、张贵把船只连成方阵，张贵在前，张顺在后，率舰队冒死冲入元军重围。他们用三弓床弩炮向敌舰发射火箭，密集的火箭呼啸着飞向元军舰队，击中目标后发生密集的爆炸并引起大火。元军大量大型战舰迅速被点燃，成为一座座漂浮在水上的“火山”。江面上烈焰冲天，浓烟滚滚，成为一片火海！宋军一面用火枪、火炮猛轰元军舰船，一面趁乱用事先准备好的板斧斩断元军布设在江中的无数拦截铁索，转战一百二十余里，终于在五月二十五日抵达襄阳！这是襄阳被困五年来第一次得到外来增援，极大地鼓舞了襄、樊军民的士气。他们送去的物资缓解了城内军民的危局。宋军支援舰队的全体将士用自己的生命完成了一次在交战双方看来都是不可能完成的史诗般的航行！
激战中，作为舰队主将的张顺不幸在战斗中身中四枪六箭，壮烈殉国。几天以后，襄阳军民找到他的遗体。战死的张顺依然身披铠甲，手执长弓，保持着作战时的姿势。襄阳军民为纪念张顺，将他厚葬并立庙祭祀。而另一名主将张贵，则在后来打通襄阳与郢州的水上交通线战斗中，由于叛徒出卖陷入元军重围。在力战身中十余枪后被俘，英勇不屈，被残忍杀害。从此，襄阳、襄樊前线永远断绝了与外界的联系，直至1273年二月襄阳陷落。
这一时期，宋蒙两军虽然在襄、樊外围进行了长达三年的拉锯战，但因蒙古军包围之势已经形成，宋军无论是救援还是突围，都未能成功，宋军只好困守襄阳，败局已定。
看看发起总攻的条件已经成熟，元军襄、樊都元帅府帐内蒙汉将领又在商讨。
阿里海牙首先说：“襄阳之有樊城，犹齿之有唇也。况且有‘铁打的襄阳，纸糊的樊城’之说。我们应先拿下樊城，撤掉襄阳的藩篱，则襄阳可不攻而得。”
张弘范说道：“阿里海牙将军说得对！襄、樊互为犄角，互相支援，我军在两城之间难以立足。江上浮桥，更是两城来往的通道。我们应派出敢死队，砍断浮桥，切断两城的联系，然后再集中力量攻下樊城，这样襄阳孤掌难鸣，自然不战而溃。”
忽报忽必烈派遣的炮匠带炮驰援，阿术大喜，立刻吩咐先下樊城，孤立襄阳。
咸淳九年（1273年）初，元军精锐部队三万多人分别从东北、西南方向进攻樊城。元军先烧毁了樊城与襄阳之间的江上浮桥，切断襄阳城中援兵的救助，然后用威力巨大的炮猛烈轰击樊城。
这种威力巨大的火炮，是从伊儿汗国得来的，堪称当时最先进的武器。它抛射重，射程远，能发射重约150公斤的巨石，落地时砸深达7尺有余。每轰一炮，则声震天地，所击无不摧陷。
在猛烈的炮石的打击下，樊城西南角被攻破。守将范天顺力战三天，终于不支，无奈自缢而死。副将牛富率军巷战，与元军展开诸巷诸屋的争夺，但终因寡不敌众，最后投火殉职，樊城陷落。
樊城被夺，襄阳更加孤立无援，但吕文焕仍日夕登城，防守不懈。元军日夜攻城，襄阳仍屹立不倒。
吕文焕告急。但是，此时的南宋朝廷在权相贾似道的把持下，封锁消息，终日斗蟋蟀，玩女人，日夜欢歌，过起了纸醉金迷的奢靡生活，根本不思救援襄阳之事。时人杨佥判有《一剪梅》词讥讽此事：
襄樊四载弄干戈，不见渔歌，不见樵歌。试问如今事若何？金也消磨，谷也消磨。
《柘枝》不用舞婆娑，丑也能多，恶也能多！朱门日日买朱娥。军事如何？民事如何？
襄阳城中军民拆屋作柴烧，既无力固守，又无援兵救援，已陷入绝境。1273年二月，阿里海牙由樊城攻打襄阳，用炮轰垮襄阳城楼。此时，忽必烈要阿术效仿曹彬，不可滥杀一人的旨意被襄阳民众耳闻，于是城中军民人心动摇，纷纷出城投降。元军恩威并施，又对吕文焕劝降，吕文焕孤立无援，看看回天无力，遂举城投降元朝。襄樊战役以南宋襄、樊二城的最终失陷而告结束。
襄樊战役从安阳滩之战开始，历经宋吕文焕反包围战，张贵、张顺援襄之战，龙尾洲之战和樊城之战，终因孤城无援，咸淳九年吕文焕在巨炮威胁下降元，历时近六年，以南宋失败、襄樊陷落而告结束。此战巧妙实践了“用智巧取，以力强取”的战略，先合而围之，构筑了包围襄樊的堡垒，以逸待劳，然后围点打援，粉碎南宋反包围企图。在战术上则注重训练，制造战船，弥补元军的不足，最终洞开了南宋的大门。
襄、樊失陷后，南宋门户洞开，形势急转直下。元军顺汉水长驱东下，强渡长江，次年鄂州投降。至此，忽必烈的既定目标——上阻四川、下达江左的战略目标得以实现。