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攻破樊城后，元军将领阿里海牙移攻襄阳，仍发回回炮轰击，所中无不摧陷，城中守军大乱，不少宋军将士逾城降元。刘整以前曾到襄阳城下劝降吕文焕，被伏弩所伤 ，因此主张毁灭襄阳城、俘虏吕文焕，阿里海牙不同意，亲自至城下再次劝降，告诉吕文焕:"君以孤城御我数年，今鸟飞路绝，帝( [[ 忽必烈]])实嘉能忠而主。信降，必尊官重赐以劝方来，终不仇汝置死所也!" [[张庭珍]]也在城下喊道:"我师所攻，无不取者，汝孤城路绝，外无一兵之援，而欲以死守求空名，如阖郡之人何?汝宜早图之!" 元将大达立主动请缨，偕译史阿里、员外郎王某进入襄阳劝降，吕文焕设宴招待他们，大达立综合分析国际形势、双方军事实力对比及襄阳面临的困境，对吕文焕说:"天眷吾有元，海外内罔非臣属，独尔一隅漏王泽。今天兵云集，带甲百万，以中国之大，供亿无穷，筑长围，扼鹿门，横亘江路，攻具之奇，有西域机石，飞三百余步，以是樊破无噍类尔。婴城固守六载，为人臣义无不足，如生民何?圣朝上应天时，下徇地利，中察时变，平宋必矣，其审思之!" 此外元将张宏亦进行了招谕。 经过元朝的多番工作，吕文焕内心已欲投降，但犹疑未决。于是阿里海牙和吕文焕折箭为誓担保，吕文焕感泣，1273年(南宋咸淳九年，元至元十年)二月二十四日，吕文焕和儿子出城投降，归顺元朝。 襄阳因而失守，南宋灭亡已成定局。

吕文焕投降，元朝如获至宝，不仅由于襄阳的战略重要性，更加上吕氏家族在南宋举足轻重的地位，正如胡只遹所言:"吕生(吕文焕)世握兵柄，兄弟子侄布满台阁，宋君臣之孰贤孰愚，宋河山城郭之何瑕何坚，宋兵民之多寡虚实，宋兵刑政之得失巧拙，不为不知。" 所以元朝决定优待吕文焕、招降吕氏子弟与部下。吕文焕降元后，奉旨入朝觐见元世祖，1273年(南宋咸淳九年，元至元十年)四月，吕文焕到达元大都，并主动为元朝策划攻打南宋 [[ 鄂州]](今湖北[[武汉]])，自请为先锋。 元世祖[[忽必烈]]封吕文焕为[[昭勇大将军]]、侍卫亲军都指挥使、襄汉大都督，赐其将校有差。

1276年(南宋德佑二年，元至元十三年)正月，伯颜大军进逼临安，南宋投降，吕文焕率先入城，持黄榜宣谕军民，并与 [[ 范文虎 ]] 参拜两宫太后。1277年(元至元十四年)，吕文焕被任命为江淮行省左丞，仍宣慰江东，负责安抚南宋军民的工作，并提出了征收江西茶税的建议，使元朝在当地的统治秩序得以巩固。在这一过程中，吕文焕奉元世祖之命对能用的新附军(南宋降兵)每月发衣服粮饷，不能用的命他们屯田。跟从吕文焕办事的江东道按察使阿八赤要求吕文焕分金银和宅邸、奴婢给他，吕文焕不同意。于是阿八赤陷害吕文焕，称其"私匿兵仗"。元世祖派御史大夫相威前去调查，真相大白后罢免了阿八赤的官。

关于吕文焕致仕后的情况，方回写道:"今平章政事常山吕公以将相归老金陵(今江苏 [[ 南京]])……扁旧百花亭曰'锦绣香中'……又有亭曰'知止'"。 元朝文学家白朴的《天籁集》收录有他为已致仕的吕文焕写的祝寿词，内容是:"盖世名豪，壮岁鹰扬，拥兵上流。把金汤固守，精诚贯日，衣冠不改，意气横秋。北阙丝纶，南朝家世，好在云间建节楼。平章事，便急流勇退，黄阁难留。菟裘喜遂归休，着宫锦何妨万里游。似谢安笑傲，东山别墅，鸱夷放浪，西子扁舟。醉眼乾坤，歌鬟风雾，笑折梅花插满头。千秋岁，望寿星光彩，长照南州。" 直到1298年(元大德二年)，还有吕文焕修建金陵常照庵的记载。 大约就在这年，吕文焕卒于家。

元军逼近临安时，宋恭帝的祖母太皇太后谢道清派丞相 [[ 文天祥 ]] 等人出城前往伯颜军营，文天祥在元营举动异常，伯颜怀疑他有异志，将其扣留，文天祥指责伯颜失信，吕文焕从旁劝解， [[ 文天祥 ]] 痛斥吕文焕是逆臣，吕文焕甚为惭愧。 据文天祥《指南录》记载，吕文焕说:"丞相何故骂焕以乱贼?"文天祥说:"国家不幸至今日，汝为罪魁，汝非乱贼而谁?三尺童子皆骂汝，何独我哉!"吕文焕说:"襄守六年不救。"文天祥说:"力穷援绝，死以报国可也。汝爱身惜妻子，既负国，又隤家声。今合族为逆，万世之贼臣也!"而后又骂了他侄儿吕师孟。元朝将领伯颜、唆都都对文天祥钦佩不已，唆都说道:"丞相骂得吕家好!"

吕文焕与 [[ 吕文德 ]] 不同，他颇有才华，擅长诗文，故被元人称为"吕生"。现存他的一封《回本国书》，是1275年(南宋德佑元年，元至元十二年)南宋招谕他时所答复宋廷的信。该信用骈文写成，不仅文采斐然，也详实披露他降元的心路历程，其内容如下:

"报国尽忠，自许初心之无愧;居城守难，岂图末路之多差。兹祈转念昔日之功，庶可少伸今日之款。明公问信，归人欲言:伏念某少服戎行，壮临边徼， 干戈满眼，轻性命于鸿毛;弓箭在腰，系死生于马足。不但驰驱于西北，誓将屏蔽于东南。幸以微劳，屡收薄效，至若襄城之计，最为淮甸之危。蠢兹无厌之戎， 指为必攻之地，迅裂如水火之冲击，飘荡如风雨之去来。坐一日以犹难，居九年而可奈!南向高筑，盖欲拒吾喉襟;樊城尽屠，又已去我羽翼。虽刘整首先于犯顺，而焦然中苦于党奸。孤城其如弹丸，谓靴尖之踢倒;长江虽曰天堑，欲投鞭而断流。凶焰如斯，先声屡至。臣能死尔，仰天而哭，伏地而哀;敌既深乎，析骸而爨，易子而食。尚冀庙堂之念我，急令邻郡之聚兵，委病痛于九年之间，投肌肉于群虎之口。因念张巡之死守，不如 [[ 李陵之 ]] 诈降，犹期后图，可作内应。国手败局留着，岂异寻常之机;俗眼据图观形，宁识骊黄之马?盖使忠臣偶陷于敌国，乌能绝意不念于乡闾?固知死也何补于生，安有食焉不任其事?因衔北命，乃拥南兵，视以犬马，报以仇雠。非曰子弟，攻其父母，不得已也，尚何言哉!今我皇上亶其好生，开以自新之路;明公都督虽是问罪，蔼然念旧之情。安敢固违，永为背叛?现今按兵不动，卧辙不惊，抚此良辰，伏观景命。且秦穆公之赦杀马，在野人犹知报恩;如齐威王之相射钩，愿君子终无忌怨。"

堂兄弟(一说兄弟): [[ 吕文德 ]] 、吕文福、 [[ 吕文信]]子: [[ 吕师圣]]

刘埙:"诸吕家于江州，仕宋累朝，穷富极贵，中外鼎盛。及北兵至，自文焕而下，相率纳款，无一人抗节报国。" (此说不确， [[ 吕文信 ]] 在德佑初年力战殉国)

乾隆帝:"才德兼优者，上也;其次，则以德为贵，而不论其才焉。故自古因有才而无忠诚之行，败人之事者多矣。……当宋之亡也，有才如吕文焕、 [[ 留梦炎 ]] 、 [[ 叶李辈 ]] ，皆背国以降元……。"