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忽必烈当上蒙古大汗以后，派大军攻取襄樊，当时由吕文焕率军死守。
至元七年三月，蒙古军为加强水上作战能力，在万山西训练水军7万人，制造战船5000般。
九月，南宋殿前副都指挥使范文虎率宋军乘战船2000艘来救，在灌子滩被蒙古军击败，范文虎乘小舟逃遁。
至元八年（1271年）四月，范文虎率军带大批钱粮再次救援襄阳，与蒙古军大战于湍滩（现在的湖北宜城东南），又被击败。
六月，范文虎率军10万，战舰千余艘，第三次救援襄阳，前进到鹿门的时候，遭遇蒙古军水陆夹攻大败，损失近百艘战船，范文虎逃走，总管朱日新、郑皋被俘。
七月，吕文焕派来兴国率军攻百丈山，被蒙古万户阿剌罕军击败，突围再次失败。襄阳危在且夕，连连告急。
十一月，忽必烈登基称帝，国号元，忽必烈就是元世祖。
至元九年（1272年）三月，阿术、刘整率军向樊城发起猛攻，攻破外城，斩杀守军2000人，
俘虏将领16人。宋军退入内城坚守，元军将其重重包围。
当时襄阳城内盐、布等生活物资奇缺。南宋京湖制置安抚使李庭芝派人至襄阳西北清泥河上游均州（现在的湖北丹江口市），制造轻舟百腰，招募勇士3000人，由都统张顺、张贵率领，乘五月汉水暴涨，装载盐、布等物资救援襄阳。
二十四日深夜，宋军经过激战，终于突破重围，进入襄阳，张顺战死。后来张贵率军潜出襄阳，接应来援的宋军，但因叛徒泄密和范文虎失约，在龙尾洲遭元军伏击，陷入重围，全军覆没。此后，两城外援断绝，仅靠汉水上的浮桥联系。
至元十年（1273年），元军对樊城发起总攻。首先元军乘船来到汉水中，拔掉木桩，斩断铁索，烧毁浮桥，击沉宋军的战船，两城的联系被切断。接着元军集中兵力，用威力大、射程远的回回炮，猛轰樊城，昼夜不停，终于破城而入。樊城守将牛富率军坚持巷战，全部殉城，樊城陷落。此时，襄阳陷入内无粮草，外无援兵的困境。
元军在加紧攻城的同时，又展开攻心战，元朝平章政事阿里海牙亲自喊话招降，吕文焕见突围无望，只好开城投降。