忽必烈汗决心灭宋后，双方进行了一场旷日持久的围城战，极大的影响了历史走势，这就是着名的襄樊之战。襄阳、樊城是一对双子城，隔汉水相望，合称襄樊，是汉水上游的第一个堡垒，是控制中原与江汉平原的要冲，历来是兵家必争之地。岳飞、孟珙等名将都非常重视修筑襄樊城防，在对金、蒙作战中发挥了桥头堡的作用。宋廷以吕文德为京湖制置大使兼知江陵府，吕文德则以其弟吕文焕为京西安抚副使兼知襄阳府。忽必烈汗接受刘整的建议，先攻襄阳，控制京湖路，切断四川和江淮的联系，再取江淮。蒙古作好了长期围困襄阳的规划，为此进行了一场浩大的准备工程。首先设立江淮、江汉两个大都督府，对位宋军两淮、京湖制置司；在成都设立行省、都元帅府，对位重庆的四川制置司。后江淮大都督李璮降宋，平定后改为山东路统军司，直属中央管辖。之后刘整为蒙军建设了一支5500艘船、七万余人的庞大水军，是形势变化的一个关键点。其次在襄阳周边要隘修筑城堡，为长期围城打援作准备。然后在全国调配物资和财政，作好了长期作战的充分准备。
襄樊之战历时近六年，是战争史上罕见的持久战，蒙（元）数十万大军的装备、后勤物资源源不断的运来，马匹轮流到山西马场就医、轮休。显然，一个没有高超管理工程技术的游牧民族是不可能做到的，现在南宋所面对的蒙古（元），早已不是那个在草原上游击的马背民族了。咸淳三年（元至元四年，1267年）秋，兀良合台之子阿术率骑兵试攻襄阳，在城西安阳滩被宋水军所阻。宋军趁机出骑兵冲杀，蒙军大败，阿术在乱军中坠马，险些被擒，后夺船狼狈逃回。咸淳四年六月，忽必烈汗以征南都元帅阿术为蒙古军都元帅，昭武大将军、南京路宣抚使刘整为汉军都元帅，进围襄樊。壮烈的襄樊保卫战就此展开。蒙军选择了稳妥的围城打援战术，并不急于攻城，而是“连珠扎寨，围数十里不得通。”准备困死孤城，此前修筑的城堡也都起到了重要作用。吕文焕首先尝试打破包围，率兵出城攻击蒙军诸砦，阿术率兵奋力抵抗。激战后宋军未能打破包围，退回城内，吕文焕向京湖制置司和宋廷报告军情请援。宋廷以夏贵为沿江制置副使兼知黄州，调集沿江诸军会同京湖路军救援襄阳。
但蒙军早有准备，坚守要冲城砦，将援军挡在城外。咸淳五年初，忽必烈汗遣中书左丞相、枢密副使史天泽偕同驸马忽剌出、同签书河南行省事阿里海牙到前线督战。史天泽下令在襄阳城外几座大山之间筑起数十里长围，将襄阳完全包裹起来，之后又不断调兵前来参战。宋军也积极救援，三月，京湖都统张世杰率兵救樊城，在远郊赤滩浦小胜阿术。五月，吕文焕再次率军突围，仍没有成功。六月，荆鄂都统唐永坚出襄阳城突围，结果兵败被俘。夏贵曾率粮队沿江而上，被蒙军重围挡住无法进城，恰逢汉水暴涨，乘船冲入城内，将粮食成功运入。鉴于此，张柔之子行军万户张弘范建议在城西万山增筑水栅堡垒，史天泽派张弘范于十二月筑成。万山堡阻断了襄阳水路交通，吕文焕出动大量步骑、战船来攻，均被张弘范击败，襄阳的交通被完全阻断。蒙军又在汉水中筑台，阻止宋军从汉水入援。年底，吕文德卒于鄂州，次年初，宋廷以两淮制置使李庭芝接任京湖制置大使。咸淳六年，殿前司副都指挥使范文虎率战船两千余艘来援襄阳，被蒙军所阻。
次年五六月间，汉水暴涨，各路宋军趁机冲破阻拦，纷纷将补给物资运入城内。忽必烈汗令各路蒙军向四川、两淮发起进攻，以牵制宋军对襄阳的救援，并继续增兵围困襄樊。宋度宗咸淳七年（元世祖至元八年，1271年）十一月，蒙古以汉制建立元帝国，忽必烈汗即为元世祖。咸淳八年，刘整、阿里海牙率元军攻破樊城外城，宋军阵亡两千余人，但依然坚守内城。虽然沿江制置副使孙虎臣、湖北安抚副使高世杰又成功将一批物资运入襄樊，但局势仍显异常紧张。五月，李庭芝本来想通过襄阳城西北的清泥河派一支部队入援，而就在这个紧要关头，殿帅范文虎却突然不听命令，只顾宴饮嬉戏。李庭芝无奈，只好在民间募集了3000死士。这支民兵部队由范文虎之侄武功大夫、右领卫将军范天顺以及张顺、张贵两位头目带领。临行前二张对众人道：“此行有死而已，各位如果不是真心随我们去的话，就请马上离去，不要坏了我们的事。”众人群情激昂，高呼愿随！船队在中途装上范文虎送来的军需物资，向襄阳挺进。从范天顺带队和范文虎送上物资来看，与前文所载的“范文虎不听李庭芝节制”似乎是矛盾的。
二十四日夜，民兵驾船百艘，均装备大量火炮、火枪、劲弩和巨斧。元军舰船布满江面，在江中设置铁链、暗桩，无隙可入。宋军由张贵领先，张顺殿后，奋勇冲锋，用火器射击元军舰船，用巨斧斫开江中铁链、暗桩，在一片喊杀声中，冲入城内！但是殿后的张顺却没能进城，数日后，尸体漂入城中，“身中四枪六箭，怒气勃勃如生”。众人感叹，为其立庙祭祀。襄阳城内欢声雷动，这是被围四年来第一支入城的援军，既带来了必要的物资，又极大振奋了守城军民的士气。张贵募集了两名死士，号称“能伏水中数日不食”，潜水出城与夏贵约定在城南龙尾洲夹攻元军。未料临行前一个获罪被打过的小校偷跑出去，张贵大惊，但仍发兵出城，期望元军还来不及反应。张贵率军奋勇出城，两岸元军纷纷来抢，淹死的就有万余。当他冲开元军舰队阻截来到龙尾洲时，果见夏贵旗号，大喜。然而，这却是元军伪装成夏贵军在此以逸待劳。张贵长叹，率军力战，身中数十枪，力竭被擒。元军让四名降卒抬着张贵的尸体入城劝降，吕文焕杀掉降卒，为张贵、张顺立双庙祭祀，但城内好不容易鼓舞的士气又沮丧了。
李庭芝试图离间刘整，请朝廷封他为卢龙军节度使、燕郡王，但元世祖用人不疑，刘整更加死心塌地为他效力。但随着襄阳的继续坚守，形势开始向宋方倾斜。四川安抚使昝万寿遣兵进攻成都，元军战败，毁城而去，取得了本阶段最大胜果。元帝国经济实力毕竟有限，虽然集天下资源，并经过多年准备，但是到现在也即将不支，连元世祖自己都开始信心动摇了。宋方很多人也乐观的认为，再坚持一段时间，元军的攻势就会收场。然而就在此时，元军的终极武器登场了。蒙军的火炮技术明显劣于宋军，要想在城下与城上的宋军进行炮战是不现实的，所以忽必烈汗早就征求工匠制造新式武器。伊儿汗国下属的宗王阿不哥以阿老瓦丁、亦思马因应征。两人研制了一种巨型投石机，筑在地上，通过机械杠杆动力抛动300斤的巨石，可入地七尺，射程比宋军火炮更远。因二人是西域人，故称“西域炮”。元军确定了先集中兵力攻克樊城，再攻襄阳的方案。年末入冬，汉水逐渐干涸，元军从水路切断襄阳和樊城的联系，集重兵分十二道猛攻樊城。
虽然京湖都统范天顺指挥宋军英勇抵抗，多次打退元军，但在西域炮的强大火力支援下，元军奋战半月，终于在咸淳九年正月十二日攻入城内。范天顺仰天长叹：“生为宋臣，死为宋鬼。”就地自缢殉国，后赠静江军承宣使。右武大夫、侍卫亲军马军司统制牛富率七百余士兵继续巷战，渴饮血水，杀伤许多元兵。直到道路被燃烧的民房所阻，牛富身负重伤，才赴火而死，后赠金州观察使。樊城陷落后元军将城内剩下的人全部屠杀，然后移兵攻襄阳。襄阳被围近六年，城内军民非常艰苦，吕文焕每次巡城，都会南望恸哭。现在樊城被破，形势更加孤危。
先前被俘的唐永坚与吕文焕私交甚厚，刘整先派他入城劝降，被吕文焕拒绝。阿里海牙用西域炮攻城，击中谯楼，城内人心惶惶。刘整又亲自到城下劝降，被伏弩射伤，大怒，要求强攻襄阳，但阿里海牙仍然坚持劝降。二月，元世祖招降诏谕到达，承诺只要吕文焕以城降，可以保全一城军民性命。按蒙古的规矩，到一座城下，必须马上投降，只要一抵抗就不再给投降的机会，城破时将全城屠净。但现在元世祖却同意不屠杀坚守五六年的襄阳。吕文焕仍狐疑未决，阿里海牙到城下折箭为誓，吕文焕终于放弃抵抗，举城献降。襄阳，这座坚守了近六年，几乎将元帝国拖垮的要塞，终于易手。
