在孙、刘两家为荆州之地闹得不可开交，险些就刀枪相向你死我活的时候，曹操乘机出兵汉中，击破张鲁。丞相主簿司马懿劝曹操说：“刘备初得蜀中，人心未附，又远争江陵，正可乘克定汉中之势进取益州，必可得之。”刘晔也劝曹操说：“刘备宽仁有度，能得人死力，人杰也。但得蜀日浅，人心未可恃也。今乘胜而以兵临境，无不克也。若稍稍迟缓，那诸葛亮明达知变，正而有谋，善于治国而为之相，关羽、张飞勇冠三军，皆万人之敌而为之将，这三人，亦俊杰也，蜀民既定，据险守要，则不可犯矣。”由于曹操用兵谨慎，没有兵临益州。刘备非常担心益州不稳，得而复失，立即表示愿意同孙权言归于好。孙权遂又派诸葛瑾回报，寻求盟好。经过协商，双方同意以湘水（即湘江，源于今广西，流经湖南，入洞庭湖，是长江水系重要支流）为界分割荆州，湘水之东的长沙、江夏、桂阳三郡属孙权，孙权放弃零陵，而将湘水以西的南郡、武陵和零陵划归刘备。荆州之争，得以和平方式解决，暂时维持了双方的联盟，避免了双方关系的破裂。关羽仍旧回军江陵，向江北发展。刘备为保全益州，引军经江州（今嘉陵江南岸重庆市区）入蜀而去。
刘备建安二十四年（219年）春夏之间，占领了汉中地区。刘备于本年秋季在沔阳（今陕西勉县东）作了汉中王、大司马。将原左将军、宜城亭侯的印缓封还朝廷，随后还治成都。刘备身为汉中王，诸将各得封拜赏赐。关羽拜为前将军、假黄钺；张飞拜为右将军、假节，马超拜为左将军、假节。
诸葛亮在刘备准备擢拜征西将军黄忠为后将军时，不无忧虑地提醒刘备说：“黄忠的名望，实在无法与关羽、张飞、马超相伦比，而今使他们地位平列相同，马超、张飞均在此地，亲见黄忠之功，尚可喻指，使其接受。想那关羽远在荆州，听到这一消息，恐必不悦，这样是否有什么不妥吗？”刘备对诸葛亮说，“吾自当解之”，遂使黄忠为后将军，与关羽齐位。
关羽在费诗奉命宣布策拜命令时，关羽得知黄忠为后将军，十分恼火地说：“大丈夫不与老兵同列！”竟不肯受拜为前将军。费诗颇解人意地劝慰关羽说：“夫立王业者，所用非一。当年萧何、曹参与汉高祖乃少小亲旧，而韩信、陈平亡命后至，论其班列，韩信最居上位，未闻萧、曹以此为怨。今汉王以一时之功，隆崇于汉升（黄忠字汉升），然意之轻重，怎能与君侯（指关羽）齐观？且汉王与君侯，譬犹一体，同休等戚，祸福共之，愚意以为，君侯实在不必计较官号之高下、爵禄之多少。在下乃一介之使，只是奉命行事，君候不受拜，在下只好就此复命而返，只恐这样一来，于君候有所不便，到时后悔就来不及了。”费诗奉刘备之命，经他一说，关羽顿时醒悟，遂即受拜。
此事反映出关羽骄矜之心正日益膨胀。系刘表旧部，赤壁之战后投奔刘备，随从入蜀。在攻取益州过程中，他“常先登陷阵，勇毅冠三军”。在建安二十四年（219年）争夺汉中的战斗中，与曹操大将夏侯渊所率精兵对阵，他“推锋必进，劝率士卒，金鼓振天，欢声动谷”，在汉中定军山（位今陕西勉县南）一战，力斩夏侯渊，大败曹军，端的是宝刀不老，威风凛凛。（《三国志·蜀书·黄忠传》）只是关羽近年来意气风发，又系刘备嫡系，藐视对半路来奔的黄忠。
关羽的骄矜并非始于一朝一夕，他恃其刚勇，矜伐自骄，傲视一切的秉性，确实也展示了他作为功勋宿将不凡的风采；他藐视天下的硬朗做派，随时随地都显露着那逼人的锋芒。孙权曾经派人向关羽提亲，想让关羽的女儿嫁给他的儿子，关羽根本不把孙权放在眼里。据说关羽曾讲：“我家虎女，岂可嫁其犬子！”使孙权大为愤怒。流誉久远的关羽刮骨去毒的故事，更能展现出他那无所畏惧的刚猛作风。
关羽在常年沙场征战中，曾被流矢伤及左臂，整个臂膀都被射穿，伤得很重。后来伤口虽然愈合，但每逢阴雨夭气，受伤的左臂便钻心地疼痛。经过医生诊断后认为：“所中箭镞有毒，毒入于骨，当重新剖开愈合的伤口，刮骨去毒，然后才能根除此患。”关羽听医生这样说，就伸出左臂让其劈开。实施刮骨手术时，正值关羽宴请诸将饮酒，他那里左臂血流不止，连盘子都注满了，这里依旧割着烤熟的肉、端着酒杯大吃大喝，言笑自若，全然不把左臂血肉淋漓当回事。传说为关羽医疗臂伤者乃是神医华佗，但在正史《三国志》和《后汉书》的华佗传中均无这样的记载，据《三国志·魏书·华佗传》云：华佗医术高明，手到病除，“若病结积在内，针药所不能及，当须刳割者，便饮其麻沸散，须臾便如醉死无所知，因破取”。《后汉书·华佗传》亦云：“若疾发结于内，针药所不能及者，乃令先以酒服麻沸散，既醉无所觉，因刳破腹背，抽割积聚。”按照这种记载，华佗当然有能力为关羽成功地实施刮骨去毒的手术，但华佗在手术时，要让患者服用其独门麻醉剂——麻沸散，而后患者如同醉死，只有呼吸而无知觉，而关羽在手术中尚能“割炙引酒，言笑自若”（《三国志·蜀书·关羽传》），绝无昏迷之象，似乎并未饮用麻沸散，以此言之，关羽之手术是否系华佗所做，似可怀疑。华佗因得罪曹操，在建安十三年（208年）之前数年就已被杀（此据翦伯赞主编《中外历史年表》第160页，中华书局版），我们虽不确知关羽手术的时间，但华佗能有多大可能为关羽疗伤，确实是个未知数，或许此事乃出于野史小说家的杜撰亦未可知。关羽在不进行麻醉的情况下能若无其事地接受那样刮骨的手术，真是匪夷所思，的确是关羽成为圣人的小小例证。
关羽逼人的锋芒，同僚之间像诸葛亮、费诗等常有所迁就、规避；这种刚勇神武对于敌人更具有巨大的威慑力。关羽凭据荆州，傍依益州，开始主动向江北的曹军出击，使曹操强烈地感受到关羽的巨大威胁。建安二十四年（219年）三月初，曹操亲率大军与刘备在汉中作战，后因作战不利，相继退于长安、洛阳，大军一直在关中、汉中一带滞留，曹操在荆州前线的防务有些吃紧；上一年（建安二十三年，即218年）冬天，南阳地区百姓因不堪于徭役之苦，在宛城（今属河南南阳）守将侯音率领下造反，南阳太守东里衮被活捉，功曹应余被射杀。镇抚荆州的征南将军曹仁立即由樊城北上围剿，虽然在本年正月将侯音斩首，但曹军荆州防线的后方发生变乱，引起了荆州防线的震动。孙权这个时候，也率军进攻合肥（今安徽合肥市），曹操所控制之豫州、扬州（今安徽寿县）、兖州（今山东金乡县西北）等州兵马只得在淮南（治今安徽合肥市）沿线戍守。这样一来，征南将军曹仁屯守樊城，遂成孤军与关羽对峙。曹操之扬州刺史温恢就对兖州刺史裴潜说：“合肥前线虽有孙权，然不足忧；今正秋季，水潦方生，曹仁孤军悬远，无有远备；关羽骁勇狡猾，只恐荆州有变耳！”
关羽看到这一有利时机，立即部署进攻曹仁，他命南郡太守麋芳留守江陵，将军士仁屯驻公安，自己亲率大队向樊城的曹仁主动出击。关羽此举，恰恰符合诸葛亮隆中对中向刘备阐解的方针，当时诸葛亮曾说：“若跨有荆、益，保其岩阻……天下有变，则命一上将将荆州之军以向宛（今河南南阳）、洛（今河南洛阳）……”以成霸业、兴汉室。从全局来说，关羽此举具有重大战略意义。樊城中曹军力孤，曹操急令左将军、假黄钺于禁率军救援。时值八月仲秋，大雨倾盆，日夜不止双水（即汉江，源于陕西宁强，流经湖北襄樊，于武汉汇入长江，系长江水系最大支流）水位暴涨致成泛滥，襄阳、樊城一带，平地水深数丈（汉制），救援曹仁的于禁等七军皆遭洪水淹没，于禁与诸将登高阜以避水势，四顾茫茫，无所回避。关羽乘大船来攻，于禁见无法抵抗，又走投无路，蹙迫之下只得投降。同期增援曹仁的立义将军庞德，据高堤之上，拒不出降。庞德被甲持弓，箭不虚发，自当日清晨坚持到午后。关羽见庞德不降，下令发动猛烈攻击，庞德在箭矢射完后，又与关羽部队短兵相接。关羽大军杀声阵阵不绝，水也越来越深，庞德部队支持不住，纷纷放下武器，向关羽缴械投降。庞德打算乘坐小船退往曹仁营中，奈何舟小水盛，庞德乘小船翻落水中，弓矢尽失，庞德独抱覆舟，被关羽活擒。因为庞德从兄庞柔在汉中投降刘备，关羽有意对庞德劝降，问道：“卿兄在汉中，我欲以卿为将，不早降何为？”谁知庞德毫不买账，大骂关羽：“竖子，何谓降也！魏王（曹操于建安二十一年五月为魏王）拥兵百万，威震天下，刘备庸才，岂能敌邪！我宁为国家鬼，不为贼将也。”关羽见他立意已决，斩杀庞德，对曹军巨大震动。须知左将军于禁自早年追随曹操沙场征战、出生入死数十年，持军严整，深得曹操倚重，曾誉之“虽古名将，何以加之！”曹操一时良将之中，于禁“最号毅重”，众人对其威惮镇服，如今一战迫降，连曹操都在接到战报后“哀叹者久之”，不无失望地说：“吾知禁30年，没成想临危处难之际，却不及庞德！”有趣的是，数年后，于禁被遣返，已经即位建国的魏文帝曹丕乍见于禁须发皓白，形容憔悴，跪在那里泣涕不已，也未追究其降，反以“樊城之败，水灾暴至，非战之咎”，拜他为安远将军，遣其出使孙吴。出发前，曹丕让其北往邺城拜谒曹操陵寝，同时曹丕又让人预先在陵城的祭殿内画了关羽战克、庞德愤怒、于禁降服的实景图画。于禁来此一见，惭恚交加。想其一世英名皆因兵败樊城、投降关羽而付东流，郁愤难解，竟一病而死。
关羽一战得胜，曹仁在樊城更是孤立无援，此时樊城内的守军只有数千人。关羽乘船攻至城下，把樊城重重包围。樊城与外界消息断绝，给养无从得以补充，粮食殆尽，局势越来越严峻。（《三国志·魏书·曹仁传》）樊城因水冲雨淋，城墙损坏严重，城内防务困难重重，众人多忧惧不安。有人劝说曹仁：“眼下形势危急，以城中兵力恐难强力支撑，可趁关羽重围未合，乘轻舟连夜遁走，虽失城池，尚可全身。”时于城内助曹仁防守的汝南郡太守满宠认为：“山水速疾，冀其不久。据报关羽遣别将已在郊（今河南郏县）下动作，自许（今河南许昌）以南，百姓扰扰，局势很不平静；但关羽所以不敢乘势北进，正是担心吾军为其后方之患。若是现在弃城而遁去，形势必将更加恶化，洪河以南，非复国有也。君宜固守此城，以待来援。”曹仁道：“好！”于是沉白马于水中与众将士盟誓。（《三国志·魏书·满宠传》）城中将士知曹仁决心死守，也都各自奋激自励，誓死守城。
曹操尚在关中，无法挥军救援，樊城吃紧之际，只命平寇将军徐晃从屯戍地宛（今河南南阳）增援曹仁。于禁投降关羽时，徐晃率军进至阳陵陂。关羽先已派兵进屯偃城（位襄州安养县北，今河南方城县南），徐晃既到，诡道出偃城之后，通为长堑，挖了一条又宽又长的堑壕，装作要截断关羽在偃城驻军的后路，使关羽驻军烧屯南撤，徐晃取得偃城后，连营稍前。关羽对曹仁的包围圈越来越牢，曹操无法派出更多的救援部队，徐晃所督统部队根本无法解救曹仁于重围之中，但因樊城危急，诸将多敦请徐晃尽快助救曹仁。惟独赵俨持不同意见。赵俨时以议郎参曹仁军事身份随徐晃而行。他对诸将说：“眼下关羽重围已极坚固，况且水深雨大，我徒卒单少，兵力不足，曹仁陷于城内，与外隔绝，难相协同合力，若举兵出击，内外当均受疲弊，于事无补。当今计之上者，莫若前军紧逼关羽重围，伺机派间谍通报曹仁，使知已有外援，借以激励将士、鼓舞士气。估计救援大军北来不过待十余日，相信城中仍可坚守，届时内外夹击，必破关羽，如因缓救曹仁而遭罪者，我愿一人承当。”众人听他言之有理，便打消了逞一时之勇的想法。徐晃依计而行，作地道暗通城下，用劲弓射书入城，与曹仁数通消息。曹操不久即传来军令：“须兵马集至，乃俱前。”即是担心徐晃所率人马多系新兵，难与关羽争锋，赵俨之计恰与曹操之令相符。（《三国志·魏书·徐晃传》）
曹操十月，亲率部队由洛阳南救曹仁。他本来打算亲征，在征求下属意见时，大家都认为他不立即前往，曹仁必败无疑。桓阶却问：“大王以曹仁等人这才干，能否明料事势？”曹操答：“能”。“那么，大王是担心曹仁他们不全力以赴而有遗力吗？”桓阶又问。“不是的。”曹操答道。“然则大王何以要亲自前往呢？”桓阶又问。曹操解释说：“我是担心关羽人多势盛，徐晃他们势有不更，有所差失。”
桓阶却说：“今曹仁等处重围之中而守死无贰者，诚以大王远为之势、遥为声援也。夫居万死之地，必有死争之心，内怀死争，外有强援相救，大王按六军以示余力，何忧于败而欲自往？”认为曹操亲征樊城救援是小题大做。曹操很愉快地接受了桓阶的建议，于是在许昌西的摩陂（位于今河南郊县境内，纵广约汉制15里左右）驻扎下来。另外，前后派遣殷署、朱盖等共12营兵马驰赴樊城与徐晃汇合，以解救重围。桓阶劝阻曹操亲自南征关羽，实属明智之举。
关羽自逼降于禁，擒斩庞德，曹操方面之荆州刺史胡修及所属南乡郡（治今河南内乡西南）太守傅方皆向他投降。襄阳守将吕常又被关羽遣别将围困，前线形势极为严峻。后方形势也使其心优。洛阳南部陆浑（今河南伊川西南）县境内发生民变，县中百姓孙狼等纠集人众杀死县里主簿，南附关羽，关羽也授予孙狼印缓，给其兵资。在很短的时间内，除了陆浑县境，梁县（今河南临汝西）、郊县（今河南郏县）等地及许都（今河南许昌市）以南百姓及山林草莽多遥受关羽之印号，为之支党，此时关羽意气风发，“威震华夏”（《三国志·蜀书·关羽传》），连京师许都都受到威胁，曹操岂果能如桓阶所云“按六军而示余力”？面对关羽炙人的气势，曹操曾同属下商议，想要迁徙许都以避其锐。此事可见关羽当年是何等的八面威风，气势是何等的咄咄逼人！
司马懿西曹属蒋济独具卓识，认为“关羽得志，孙权必不愿也”（同上），于是建议曹操可派人劝说孙权蹑其后路，使关羽后方受制，并许割江南之地以封于孙权，使孙权有利可图，视其自相交攻，樊城之围可不救而自解。曹操依计而行。当曹操调动起孙权这颗棋子为其所用、而孙权为其利益也乐意效力时，关羽在荆州的处境便发生了逆转。在曹操想要利用孙权对付关羽之前，孙权就已经在处心积虑地谋划从关羽手中夺回荆州。
吕蒙认为关羽素以骁雄闻名，有兼并之心，且居其上流，相遇而安之势必不长久，便秘密地进言于孙权：“今令征虏将军孙皎守南郡、潘璋驻守白帝（今四川奉节）、蒋钦另率机动兵马万人沿长江上下巡逻，应付仓促之敌，我前据襄阳，那么曹操何足忧，关羽何足赖？且关羽、刘备矜其诈力，所在反复，不可以腹心待也。今关羽所以不敢向东进军，乃因至尊（指孙权）圣明、吕蒙等人尚存。如果不于强壮之时对付他，一旦僵仆，欲再想对付之，可就不容易了。”孙权起初想先北取徐州，然后再对付关羽，吕蒙反对这样做，认为应先取关羽，全据长江，既易张形势，又便于防务，孙权甚是嘉许，命其出镇陆口后，吕蒙也外倍修恩厚，表面上与关羽结好，暂时维持着同盟关系。