这支水军由5000艘舰船、70000人组成，他们在包围线的上游和下游进行训练，训练进行到一定阶段后，又与陆上各支军队联动起来进行了数次整体军事演习。襄樊郊外已然化身成了蒙古“水陆大军”的演习场。
蒙古大军不同于以往，摆出了长期驻留的态势，这一消息传到了南宋朝廷后，引起了极大的震恐。南宋宰相贾似道深知襄阳对于宋帝国的重要性，前后两次派出援军北上，但都被蒙古军击退。咸淳七年（1271年）六月，贾似道再次派出由范文虎率领的10万水陆机动部队，沿着汉水启程北上，这支部队可谓是南宋的王牌军团。
蒙古人其实一直在等着这一天的到来。在纯骑兵、步骑混合兵、纯步兵三种陆战部队的基础上，再加上新组编的水军，蒙古军利用各个要塞、堡垒布开了巨大的作战阵地，因而南宋军队此举无异于自投罗网，水陆皆遭大败，主力全部覆没，范文虎只身逃跑。
南宋由此一举陷入劣势。由于王牌部队被蒙古军击溃，整个南宋陷入了恐慌之中。之后南宋作为一个国家、政权，采取的任何援救行动（有一些取得了成功）都没有能够挽回局面。
在这段艰难的日子里，吕文焕里一边鼓励着被团团包围孤立无援的两城将士、百姓，一边苦苦支撑着局面。
而忽必烈这时开始投入使用新兵器“回回炮”。
南宋咸淳九年（1273年）一月，在樊城郊外出现了一架庞大的投石机，巨大的石弹摧毁了樊城的城墙，蒙古大军由此杀入城中，樊城陷落了。随后，搬入樊城之中的投石机将目标瞄准了襄阳。
可怕的巨大石弹轻松越过了宽广的汉水河面，从上空向襄阳袭来。位于襄樊两市之间的汉水也有七百到八百米宽，而当时这一武器至少具备了这样的飞行距离。而与弓矢、弩炮、火器不同，它的攻击根本无法抵挡。在可以逐一击破城楼、兵舍、民宅，并横扫所有守军、百姓的这一新兵器的恐怖威力之下，吕文焕开始想要放弃了。最终，在第二年二月，以保全全军、全体百姓的性命为条件，吕文焕开城投降了。
忽必烈对襄阳极尽优待，不仅按照之前的约定不杀一兵一民，还反而任命吕文焕为“襄汉大都督”，拥有汉水流域绝对的军事权力，其麾下将士也被授予忽必烈直属的“侍卫亲军”的地位，并和从前一样由吕文焕统领指挥。
这对于吕文焕及其部下来说，是难以置信的优待。首先，对自己六年以来的守城之战给予高度评价的，正是敌军蒙古人；其次，他们得到了作为蒙古大汗直属部队的特权以及比以往更大的势力范围，并被评价为最好的勇者，这对于习武之人来说算得上是至高无上的荣耀了。吕文焕及其将士们的感激之情是自然的，家族、百姓们的喜悦也是自然的。在守城之战中，两军死伤极少，因此在蒙古军队与吕文焕的军队之间并没有彼此萌生恨意，甚至还自然而然地产生了并肩作战的感情。通常伴随战争而来的血腥杀戮，在这次战役之中几乎没有出现。
相反，吕文焕大军及襄樊的百姓们开始对南宋朝廷失去信任。对于吕文焕来说，尤其是在守城之战中堂兄吕文德去世后，贾似道的态度就仿佛是想要吕氏兵团全军覆没一样，甚至故意抛弃了他们。当然事实不是这样，但贾似道当时极度的束手无策和南宋朝廷自始至终的猜疑引发了他们的这种联想。
怀疑进而越过了愤怒，直接升级为复仇的心态。此时，抛弃自己的人与认可自己的人、南宋朝廷与蒙古帝国的区别一目了然。在忽必烈麾下有许多汉人在为其效力，口头上的书生之论很少出现，靠华丽辞藻伪装自己的文人官僚之间的“党争”也很少发生，比起包括书生在内、上上下下都充斥着无限嫉妒与斗争的临安南宋朝廷，忽必烈这里可以说堪称“完美”。
吕文焕及其兵团向忽必烈立下忠诚的誓言，并自然而然地申请担任下一轮伐宋之战的尖兵。而蒙古方关于吕文焕等人“变节”、“背叛”一类的论调或评价