元军在攻下襄阳之后，伯颜从守军中挑了五千精锐，并委任了吕文焕的心腹为守将，以示信任。在其率军南下之后，又以加强防御为由派了一支蒙古千人队驻防襄阳，以监视守城的新附军。在江陵之战中，攻打江陵城的元军在霹雳军的炮火下四散溃逃之后，其中的两千人溯汉水逃回了襄阳。这支元军将领忙古歹乃是伯颜的铁杆心腹，也是一名守旧的蒙古贵族，他违抗忽必烈的北返命令，除了因为不愿向霹雳军缴械外，也是因为其更认同伯颜的理念。
入主襄阳之后，忙古歹一面网罗淮西的元军残余，一面加强襄阳周边的防御，下令用石木将航道堵塞，又在城周边的山上广筑堡垒以为屏障。襄阳是蒙元攻宋大军的出发地，也是重要的粮草辎重转运地，这使得忙古歹的备战有了充足的物资。短短几个月时间，他已在城外筑了几十个互为犄角的堡垒。这些堡垒高居山头又易守难攻，由数十名到百余名士兵守卫，配置了投石机、弩炮、擂石、滚木甚至还有火炮。忙古歹要让堡垒迟滞拖慢霹雳军的进攻，等待时局的变化。
即便霹雳军拥有火炮，要仰攻下这些山头的堡垒也是不易。要打到数百米高的山头，唯有20斤和40斤的重炮，而这两种火炮数量并不多且命中率低。反观敌人的火炮虽然粗劣，却可以轻易封锁上山道路，即便弹药用完，仍有擂木滚石可用——山上最不缺的便是石头。围困办法也不可行，各个堡垒之中也是粮草充足，又蓄有水源，足以支撑两三年。当然忙古歹也知道，霹雳军如果强攻，这些堡垒再坚固也经不起重炮的攻击。他为人极为顽固，知道襄阳无法固守，却决心死战到底，唯求给霹雳军造成最大的损失。
指挥襄阳作战的是昝万寿，其麾下兵力为第二军的三个步兵师，分别从东、西、北三个方向进逼樊城和襄阳，总兵力约三万五千人。第二军的骑兵师在清剿开封以东，黄河以南的元军残余。第三军的一个步兵师从汉水而来，在东海舰队轻快战船的配合下，先是拿下了郢州等沿途城市，从南边兵临襄阳。四月底，合围襄阳的霹雳军力全部集结完毕，总兵力达到了五万余人，另有轻型火炮战船三十余艘。襄阳守军眼见霹雳军声势浩大，皆龟缩不出。他们仅有一万五千人左右，其中包括忙古歹直属的二千五百蒙古和色目精锐，另有蒙古汉军四千人，其余皆为新附军。
在昝万寿率军抵达樊城之时，城中守军趁霹雳军立足未稳，发动了骑兵突袭。率军出击的是忙古歹手下的心腹将领，其所率的六百蒙古骑兵十分精锐。霹雳军的前锋步兵团根本没有料到敌人敢在人数和火力居于绝对劣势的情况下主动攻击，猝不及防之下死伤惨重，幸好前面的霹雳军士兵临危不乱，硬是凭着刺刀遏制住了敌人冲锋，为后面的战友争取了时间。随着轻机枪火舌的喷出，蒙古骑兵成片倒地，余者纷纷窜回樊城。此战霹雳军损失了三百余人，敌人死伤也大体差不多。在昝万寿看来此乃奇耻大辱，当即撤了团长的职，又下令将樊城三面包围起来。樊城南门乃是汉水，其通过浮桥与对岸的襄阳城相连。
在炮击樊城之前，昝万寿下令截断河上浮桥，断其与襄阳的联系，防止敌人通过浮桥逃到襄阳。执行这个任务的是东海舰队的爆破船，它们突破襄阳城上火炮阻击，先是击破了河中的石木河障，又趁势冲到两城之间的河中，将浮桥炸飞到天上。由于敌人在河中设置了大量障碍，霹雳军的轻快战船并不能靠近襄阳城，其上面装备的小型火炮又奈何不了城防，反易被在城头火炮击沉。第二军配置的二十斤和四十斤重炮射程虽能打到河道，但因城墙所阻的原因，浮桥很难被击中，况且还在运输途中。时值春夏之交雨水绵绵，洛阳和襄阳之间不通水路，陆上道路又泥泞不堪，给重炮运输带来极大的麻烦。
以五艘爆破船和三十一人死伤为代价，霹雳军摧毁了襄阳和樊城之间的浮桥。霹雳军陆上炮火虽然凶猛，但十斤炮对付樊城的坚固城防实属勉强，既无法击破城墙，也无法摧毁敌人藏在土木工事下的火炮。反观守军在打了霹雳军一个措手不及后士气高涨，他们龟缩在防御工事之中负隅顽抗。在火炮和机枪火力的掩护下，霹雳军组织了几次敢死冲锋，才将城墙爆破了缺口，并在护城河上架了舟桥。又经过三天激烈的巷战，霹雳军才得以控制了樊城。城中三千敌军大多战死，只有几百人被俘，而第二军则付出死伤八百余人的代价，率先冲入城中的步兵营更是伤亡过半。
就在双方在樊城巷战之时，襄阳城的敌人也没有闲着，忙古歹乘夜派了爆破船顺流而下，袭击了下游十余里外的龙尾滩。那里是霹雳军的粮草辎重堆放地，停满了运输船。元军的爆破船虽然威力小，且只有两艘船冲破拦截，但仍摧毁了数十艘运输船，让船上的霹雳军水手死伤惨重。霹雳军虽然拿下了樊城，但前后损失了一千余士兵，这让昝万寿的心在滴血。这些士兵都是他亲手训练出来的，有的基层军官甚至跟随他十年之久，不仅是战友更是情同手足的兄弟。襄阳的城防比樊城更坚固，士兵和火炮数量更多，又有众多堡垒拱卫，如果这样打下去伤亡将不可承受。
昝万寿放弃了速攻襄阳的念头，他下令用壕沟和木栅栏将襄阳城和城外的堡垒分别围起来，又派人请大本营支援重炮。以第二军二十斤和四十斤的重炮数量，仅清理城外的堡垒便需要半年之久，要拿下襄阳更得在十个月以上。接到他的急件后，欧阳轩当即下令东海舰队和北海舰队火速提供支援。由于吨位过大，这两支舰队的大型战舰无法前往襄阳，但可以将舰上重炮折下一些，再用运输船运往襄阳。北海舰队可以从涟海州方向，通过黄河和淮水的支流进行运输；东海舰队的运输船则更方便，可以溯汉水而来。
七月之时，霹雳军在襄阳城的重炮已有三百余门，同时运来的还有数量充盈的炮弹。吃过敌人自爆船的亏后，霹雳军变得更加谨慎了，让此后敌人的偷袭都铩羽而归。运到襄阳的重炮以二十斤炮为主，另有部分四十斤炮，还有十六门崇庆府级战舰才配置的八十斤的超级重炮。在这些大杀器之下，襄阳的城防和城外的堡垒纷纷土崩瓦解，尤其是八十斤重炮一次齐射，便能让堡垒化为瓦砾或让城门楼解体。
七日之后，襄阳守军终于熬不住，开门投降了，他们的投名状是忙古歹及其亲信的头颅。眼见主城投降，山上的各个堡垒也陆续投降了。