曹操见于禁败退，再派徐晃前往支援，并命令张辽、曹植等作为第三梯队的后备力量准备投入樊城前线。由于于禁率领的常备军的溃败，徐晃率领的士卒多是新兵。而对方荆州关羽军则是有经验的士兵[2]。

徐晃军主力推进到阳陵坡后便就地驻扎，排除众议、不与关羽军争锋，等待后续的徐商、吕建军到达[3][4]。关羽闻知后，立刻派兵增援偃城，试图阻止徐晃支援樊城。但徐晃未发动正面进攻，反而假意截断偃城往关羽军本部的归路，困死城中的队伍。关羽军果然中计，还未及徐晃攻打便不战自败，自烧营垒撤走了[5]。因此，徐晃得以占据偃城，使偃城、阳陵坡两面营寨得以连成一片。

在全部军队到齐后，徐晃军开始主动进攻。而关羽在前线的围头、四冢皆有大量的屯军。徐晃考虑的两面进攻压力太大，于是扬言攻打围头，但暗中对四冢用兵。关羽果然中计，命令五千精兵迅速支援围头，而忽略了四冢的防御。四冢被围后，关羽才又亲率援军赶往四冢，遭击败[6]。

关羽军因失利转为守势，为了阻拦徐晃军的攻势，设下十重围堑、鹿角增强防御。徐晃此时趁战胜士气高昂，率军长驱直入，突破全部十重防御，徐晃在阵上追击关羽，一直到攻陷关羽军本部并将其击败

[7]。早先投降关羽的荆州刺史胡脩、南乡太守傅方被阵斩，关羽军精兵溃散、很多投沔水而死。时为闰十月初九（12月3日）[8][9]，关羽见大势已去，遂撤出了樊城的包围圈，退守在沔水附近。沔水仍然隔绝不通，襄阳之围仍在。[10]

曹操闻关羽走，恐诸将追之，疾敕曹仁坐视孙刘相斗，不得出击追击关羽。之前曹操答应为孙权袭击荆州保密，但并不希望孙权顺利得手，为了振作守军士气和动摇关羽军心，仍然采纳董昭建议故意向襄樊守军和关羽泄露消息，但料定关羽不会撤退（如果撤退则襄樊解围，仍合曹操之意）。关羽果然因为觉得江陵、公安守御坚固、樊城早晚可以攻克而没有撤军。随后孙权袭击关羽辎重。关羽得知荆州后方已失，料想江陵城坚固，以手上兵力难以攻克，只得退守麦城。十一月，陆逊率李异、谢旌等三千人攻陷秭归、枝江、夷道，守长江西陵峡口。宜都郡守樊友逃跑，房陵太守邓辅、南乡太守郭睦、将领詹晏、陈凤、秭归大姓文布、邓凯皆被陆逊大败，陈凤被俘后投降，文布被陆逊招降，关羽从三峡逃入益州的道路断绝。