咸淳八年（1272年）春，元军对樊城发动总攻，襄樊之战正式开始。三月，阿术、刘整、阿里海牙率蒙汉军队进攻樊城，攻破城廓，增筑重围，进一步缩小了包围圈，宋军只好退至内城坚守。四月，南宋京湖制置大使李庭芝招募襄阳府（今湖北襄樊市）、郢州（今湖北钟祥县）等地民兵3000余人，派总管张顺、路分钤辖张贵率领救援襄阳。二张率轻舟百艘，士卒3000及大批物资出发，临行前张顺激励士卒说：
　　
　　“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，那就赶快离去，不要影响这次救援大事。”当时3000水军群情振奋，斗志昂扬，表示坚决完成任务。五月，救援战斗开始，二张在高头港集结船队，把船连成方阵，每只船都安装火枪、火炮，准备强弓劲弩，张贵在前，张顺在后，突入元军重围。船队到达磨洪滩，被布满江面的蒙军船舰阻住，无法通过。张贵率军强攻，将士一鼓作气，先用强弩射向敌舰，然后用大斧短兵相接，冲破重重封锁，元军被杀溺而死者不计其数，宋军胜利抵达襄阳城中。当时襄阳被困已有5年之久，二张入援成功，极大的鼓舞了城中军民的斗志。然而这次战斗中宋将张顺阵亡，几天以后，襄阳军民在水中得到他的尸体，披甲执弓，怒目圆睁，襄阳军民怀着沉痛敬佩的心情安葬了张顺，并立庙祭祀。
　　
　　张贵入援虽然给襄阳守军带来希望，但在元军严密封锁下，形势仍很严峻。张贵联络郢州的殿帅范文虎，约定南北夹击，打通襄阳外围交通线，计划范文虎率精兵5000驻龙尾洲接应，张贵率军和范文虎会师。张贵按约定日期潜鹇牢幕溃时？000顺汉水而下，检点士兵，发现少了一名因犯军令而被鞭笞的亲兵，张贵大惊，对士兵们说：“我们的计划已经泄露，只有迅速出击，敌人或许还来不及得到消息。”他们果断地改变了秘密行动，乘夜放炮开船，杀出了重围。元军中阿术、刘整得知张贵突围，派数万人阻截，把江面堵死。张贵边战边行，接近龙尾洲，在灯火中远远望见龙尾洲方向战舰如云，旌旗招展，以为是范文虎接应部队，举火晓示，对方船只见灯火便迎面驶来。等到近前，才发现来船全是元军，他们先占领了龙尾洲，以逸待劳。宋元两军在龙尾洲展开一场遭遇战，宋军因极其疲惫，战斗中伤亡过大，张贵力不能支，被元军俘获，不屈被害，元军派4名南宋降卒抬着张贵尸体晓示襄阳城中，迫使吕文焕投降，吕文焕杀掉降卒，把张贵与张顺合葬，立双庙祭祀。
　　
　　元军为尽快攻下襄樊，咸淳八年（1272年）秋采取了分割围攻战术。元将阿里海牙认为：“襄阳之有樊城，犹齿之有唇也。宜先攻樊城，樊城下则襄阳可不攻而得。”为切断襄阳的援助，元军对樊城发起总攻。咸淳九年（1273年）初，元军分别从东北、西南方向进攻樊城，忽必烈又派遣回回炮匠至前线，造炮攻城。元军烧毁了樊城与襄阳之间的江上浮桥，使襄阳城中援兵无法救援，樊城有全孤立了。刘整率战舰抵达樊城下面，用回回炮打开樊城西南角，进入城内。南宋守将牛富率军巷战，终因寡不敌众，牛富投火殉职，偏将王福赴火自焚，樊城陷落。
　　
　　樊城失陷以后，襄阳形势更加危急。吕文焕多次派人到南宋朝廷告急，但终无援兵。襄阳城中军民拆屋作柴烧，陷入既无力固守，又没有援兵的绝境。咸淳九年（1273年）二月，阿里海牙由樊城攻打襄阳，炮轰襄阳城楼，城中军民人心动摇，将领纷纷出城投降。元军在攻城的同时，又对吕文焕劝降，吕文焕感到孤立无援，遂举城投降元朝，襄樊战役宣告结束。