吕蒙说：“的确如你所说，可是我病得很重。”
陆逊：“关羽自负骁勇，欺压他人，刚刚取得大功，骄傲自大，一心致力向北进攻，对我军未加怀疑，不听说您病重，必然更无防备，如果出其不意，就可以将他擒服。您见到主公，应该妥善筹划此事。”
吕蒙大惊，但为不泄露军机，便说：“关羽素来勇猛善战，我们很难与他为敌，况且他已占据荆州，大施恩德和信义，再加上刚刚取得很大成功，胆略和气势更加旺盛，不易对付。”
后吕蒙拜见孙权，孙权问谁可以替他在陆口指挥，吕蒙极力推荐陆逊，并说：“陆逊思虑深远，有能力担负重任，看他的气度，终究可以大用；而且他没有大名声，不是关羽所顾忌的人，没有人比他更合适了。如果行用他，应该要他在外隐藏锋芒，内里观察形势，寻找可乘之机，然后向敌人进攻，可以取得胜利。”
孙权下令，由陆逊代替吕蒙。陆逊来到陆口，马上写信给关羽，表示自己对他的仰慕，并且表示绝不与关羽为敌。关羽愈发大意。
关羽新得人马数万，粮食匮乏。关羽在为解燃眉之急，竟擅自强占东吴贮藏在湘关的粮食。孙权得知此事，觉时机成熟，便派兵袭击关羽。
孙权准备任命征虏将军孙皎和吕蒙为左、右两路军队的最高统帅，吕蒙说：“如果您认为征虏将军有才能，就应任用他为统帅；若认为我有才能，就应任用我。以前，周瑜和程普为左、右部督，率兵攻打江陵，虽然事情由周瑜作决定，然而程普伏恃自己是老将，而且二人都是统帅，于是双方不合睦，几乎败坏国家大事，这正是现在要引以为戒的。”
孙权醒悟，向吕蒙道谢说：“以你为统帅，可以任命孙皎做你的后援。”
十一月，孙权西征关羽，任命吕蒙为前部，率军隐蔽前出，进至寻阳，把精锐士卒埋伏在伪装的商船中，令将士身穿白衣，化装成商人，募百姓摇橹划桨，昼夜兼程，溯江急驶，直向江陵进袭，一切都进行得十分隐蔽和诡密。
驻守江防的蜀军士兵被伪装的吴军所骗，猝不及防，全部被俘虏，江陵城内空虚，陷入混乱。
吕蒙先让原骑都尉虞翻写信诱降驻守公安的蜀将傅士仁，又使傅士仁引吴军迫降守江陵的蜀南郡太守麋芳。麋芳献城出迎，吕蒙遂率大军进据江陵，从而，一举夺回蜀长期占据的荆州。而骄傲轻敌的关羽，对吕蒙的袭击行动竟一无所觉。
南郡太守麋芳开城出降时，吕蒙在沙丘上庆祝南郡投降，虞翻此时劝吕蒙小心城中会有伏兵，江陵城中只有麋芳跟吴军是一心的；其他人居心叵测，劝吕蒙应尽快入城控制城池，吕蒙幡然醒悟、及时掌控城中要地，让原本想要伏击的人来不及设好埋伏。当时城内果然设有伏兵，因为吕蒙接纳虞翻的劝告，这次伏击才不成功。[22]
吕蒙将关羽部下的家属全部抓获，厚加抚慰，并下令军中，不得骚扰百姓，不得擅人民家有所索取。
当时吕蒙手下有一个军士，与吕蒙一样是从淮河以北的汝南郡南渡而来。他拿了民家一斗笠，来覆盖官府的铠甲。吕蒙认为，铠甲虽是公家器物，但擅取民家斗笠还是犯了军令。挥泪将他斩首。于是军中震栗，以致路不拾遗。
吕蒙还派人早晚慰问年长之人，关心他们的生活，补给不足。若有人生病，就送去医药，有人饥寒，就送去粮食和衣服。关羽府库中的财宝，吕蒙一毫不取，全部封存。
当时关羽已被徐晃击败，闻江陵失守，更是惊慌，急忙撤军而回。回军途中，数次派人与蒙吕蒙联络，吕蒙热情接待关羽派来的使者，带他到城中周游，让他到将士们家中去慰问，于是，有的人亲笔写信，说得到吕蒙厚待。
使者回到关羽军中，将士们得知家中不但平安无事，而且所受到的优抚超过了平时，故军无斗志。
此时，孙权已先到达江陵，派陆逊攻占夷陵、秭归，切断关羽入川退路。关羽向驻扎上庸的蜀将刘封、孟达求援，被拒绝。关羽陷于进退失据，腹背受敌的困境，遂西走麦城。
是年十二月，关羽率少数骑兵从麦城突围，西逃璋乡，其部下皆降于孙权。孙权又派朱然、潘璋截断了他的道路，关羽父子最终为潘璋部司马马忠擒获。吕蒙的部下将关羽父子斩首，荆州遂定。
江陵一战，吕蒙立功至巨，孙权任命他为南郡太守，封孱陵侯，赐钱一亿，黄金五百斤。吕蒙推辞再三，不肯接受金钱，孙权不许。封爵还未颁布，吕蒙疾病发作（后世人或猜测建安二十四年发生瘟疫，因史载吕蒙、孙皎、蒋钦死于同年，或猜测是吕蒙年轻时在战场上吃苦受累导致积劳成疾）。孙权时在公安，就把吕蒙接来安置在内殿，千方百计诊治护理，并且下令，在国内招募医者，有能治好吕蒙病的人，赏赐千金。
孙权尽心为吕蒙治疗，每当医者给吕蒙针灸，孙权就为之难过。孙权想多看看吕蒙，又怕他太过劳碌，于是命人凿通墙壁暗中观看。如发现吕蒙吃下点东西，孙权就高兴，对手下人有说有笑；
如发现吕蒙不进饮食，孙权就长吁短叹，夜不能寐。吕蒙病情略有好转，孙权就下达赦令，让群臣都来庆贺。后来，吕蒙病情加重，孙权亲自到床前探视，命道士为他祈祷，想保全他的性命。
吕蒙最终在孙权内殿中去世，死时四十二岁。孙权悲痛万分，缩食减眠以示哀悼。
吕蒙生前，所得的金银财宝和各种赏赐都交到府库中收藏。他命令主管人员，待其死后，把这些全部还给朝廷。
他还留下遗言，丧事务求俭约，不得奢侈。孙权知后，愈益悲伤。