夏季闰六月，陆逊即将攻打汉军，部下将领都说：“攻打刘备应该在他立足不稳之时，现在汉军已经深入我国五六百里，同我们对峙了七个月，占据了险要地势，稳固了防守，攻打他们不会顺利。”陆逊说：“刘备是个非常狡猾的人，再加上他有丰富的经验，汉军刚刚集结时，他思虑精纯专一，我们无法向他发起攻击，现在汉军已经驻扎很久了，却仍然找不出我军的漏洞，将士疲惫，意志沮丧，计无可施，如今正是我们对他前后夹攻的良机。”于是先下令攻打汉军的一个营垒，以试探汉军的虚实。结果，汉将吴班带兵反击，打得吴军败如潮水，损兵折将十分惨重，只得逃回城中。陆逊原先设想乘隙进攻的方案遭到失败，将领们都说：“这次作战徒损兵将。”陆逊原定计划落空，面对部将的指责，孙权的催促，和荆州的危急形势，他的心情非常沉重。为了打败坚强精锐的汉军，他时刻苦想计策，经过反复思索，终于想出了火攻的办法，他激动地对部将说：“我已经有了破敌计策。”他下令朱然首攻汉军前营，战士每人手拿一束茅草，乘夜在汉军营前附近放火烧林。汉将冯守在营中，没有防备营外树林。吴军在林中引燃干柴，形成火势，热气迅速烤干林木，随着燃烧起来，火光照耀夜空，惊动远方。朱然借用火势，袭击汉营的侧后，汉军营中一片混乱。
陆逊一看计谋有效，当即传令各路军队同时出击，采用虚势火攻，再乘势出击的方法，袭击汉军。朱然遮断汉军前营的后路，潘璋同时配合进攻，冯习奋力抵抗，直到战死。韩当和朱然进至夷陵涿乡攻打汉军，诸葛瑾、周胤也从孱陵进击猇亭，吴军主力全部集结在猇亭，攻打汉军大营。张南力战不退，直到中创倒下。胡人君长沙摩柯也在抵抗中阵亡。吴军接连攻破汉军的营垒，直向刘备的御营进攻。汉将杜路、刘宁后路断绝，孤力被围，被迫向吴军投降。
汉帝刘备知道前军已败，残局难收，只得向后撤走，在黄忠的护卫下登上马鞍山。黄忠布置军队抗击吴军，打退了潘璋的进攻。陆逊督促各路军队四面围攻，逐步缩小包围圈。吴班、廖化、关兴、张绍各领夲部分守一方。陆逊再次采用乘虚烧林的办法，趁势进攻。一日一夜汉军失败，战死一万多人。黄忠率领轻骑保护刘备突围而出，遥向西北退走。
吴将孙桓一见陆逊进行反攻，趁机率军出战，得见陆逊。孙桓闻刘备退走，料定必从长江南岸还蜀中，于是奋力追赶。黄忠保护刘备走到石门山，追兵即将赶到，形势危急，驿道官员亲自挑着兵器铠甲，在险要的路口焚烧断后，刘备因此得以退走。汉军各部分散多处，危急之际难以及时联络，因此不得集中，各军未奉兵符而不敢擅动。吴兵突然打到营前，汉兵陷入绝境，分崩四散。
汉将傅彤掩护大军撤退，部队全部阵亡，他却越战越勇，吴军劝他投降，他大骂说：“孙吴狗辈，汉将军哪有投降之理。”于是奋战而死。从事祭酒程畿，乘船迎击吴军，知道汉军撤退，因未奉兵符而不肯走。部下说：“后面追兵即将追上，应该把两船连接的方舟拆开，轻舟撤退。”程畿说：“我从军以来还没有学习如何逃跑。”因此他抵抗吴军，奋战至死。侍中马良在武陵督领五溪诸蛮进攻吴军，遭到吴将步骘的反攻，马良不幸战死。汉军一连失去四十多座营垒，致使军中船只器械，以及水军陆军的军用物资，全被吴军夺走，将士的尸体布满江面，顺流而下，情景悲壮而又凄凉。刘备面带惭愧，失望地说：我被陆逊折辱，难道是天意吗？”黄忠收容散兵，保护刘备，徐徐退至巫县。
吴将孙桓率领轻兵万余人，连夜西进，超越在前，竟在上夔道狭窄处，取土断道，严阵截击。这时前有伏兵，后来追敌，东西两面都是险山峻岭，形势非常危急。刘备愤而感慨地说：“昔日我到吴中京城，孙桓还是个小儿，如今迫朕竟到如此地步”。黄忠挺身而出，他对刘备说：“孙桓小儿傲气涨天，要将我军斩尽杀绝，真是狂妄自大，阴险冷酷。但是回师不可堵截，他犯了兵家大忌，必遭失败，今日微臣亲自上阵，杀开这条山道，保护陛下安全撤退。”刘备说：“朕安排你守卫御营，今日终于派上了用场。”黄忠吩咐关兴、张绍：“你们保护陛下翻越山岭，转到安全地带，等待会师。”他又命令廖化：“你带夲部掩护陛下转移，保持正常联络，遇到险情随时来报。”他们弃马踰山，穿林历险，保护刘备退走了。
黄忠向诸将传达号令说：“我们前遇吴兵堵截，后有吴兵追击，面临生存死亡的紧要关头，我们要上下一心，同赴患难打开这条通路，保护陛下退走，不要怯阵落后。”将士们都表示跟随黄忠全力杀敌。黄忠率领前军开始进攻了，他驾上云梯，当先登墙，冒着矢石擂木，登上墙头。吴将凌统手持长抢要拨倒云挮，黄忠伸手抓住枪杆，一下夺了过来，即将上墙，只见凌统挥起宝剑抢先动手，黄忠掷出一把短戟，正中凌统脸上，顿时血流满面，被左右架起退走。黄忠上墙一阵扫荡，杀散守兵，掩护部下进攻，终于控制了局面。黄忠率领一支部队，迎战赶来增援的吴军，命后路将士推墙平路，使汉军顺利通过。
孙桓看见凌统躺在担架上，立即至前探望，却见凌统已经死亡。孙桓亲自赶到前沿督阵堵截，使吴军士气猛然大振。
吴班指着孙桓说：“这个就是孙权的宗亲孙桓。”黄忠立即摘下弓箭，一道白光闪过，孙桓仰面倒下，不省人事，左右慌忙架住，退出战场。
孙桓，字武叔，孙河的儿子，二十五岁时，拜官安东中郎将，参加夷陵大战，和陆逊共同抗拒汉军。由于汉军精壮强干，驻防满山遍野，孙桓拼命挥刀，和陆逊奋力拒战，成为吴军名将。在对峙过程中，他在夷道被汉军包围，向陆逊求援，却得不到救兵。等到陆逊火攻取胜以后，他才被解除包围，进行反攻。现在竟率部超过众将，载击刘备，计划夺取大功。刚一出场，就中箭受伤，命临绝境。
黄忠趁吴军混乱之际，率军猛冲猛打，夺下山路，控制战场。这时赵云率部赶来，夹击吴军。吴军伤亡惨重，横倒漫山遍野，昏迷不醒的孙桓躺在担架上，被部下抬着，登山度险，从山野草木之间逃跑了。
黄忠迎接刘备退至鱼复县，刘备将地名改为永安，命黄忠带兵驻守白帝城，以防吴军进犯。
白帝城原名紫阳城，位于上瞿塘峡口的紫阳山上，三面靠水一面靠山，背依高峡前临长江，气势十分雄伟壮观，是割据巴蜀的公孙述所建。当年公孙述是王莽的大将，在王莽篡汉时期，他据蜀称王，在紫阳山积粮屯兵，扩修城垒。后来公孙述听说城中有口白鹤井，常冒白色的雾气，形状宛如一条白龙腾空，他因此故弄玄虚，声称这是白龙出井，白龙献瑞，是他日后必然登基成龙的征兆，于是自称白帝，在此建都，所建的紫阳城取名白帝城，紫阳山改名白帝山。东汉建武十二年，刘秀率军进川，公孙述兵败身亡，白帝城毁于战火。刘焉担任益州牧以后，重新修整白帝城，形成蜀境军事重镇。
黄忠驻守白帝城，战船停泊在白帝山下的江岸边，由陈式统领水军，自带步骑守卫旱路。
镇北将军黄权在长江北岸，道路被吴军切断，无法退回，至八月间，黄权率部投降曹魏。蜀汉的执法官员请求刘备依法逮捕黄权的妻子儿女。刘备深切知道黄权思虑敏捷，筹划一方，引导王师驱除吴军，事遂功成。他独自担负东方一角的防线，不祥的命运终于降临在他身上，他的夲心始终向着汉朝，却流落在异乡，不能回国，刘备对他十分同情，说：
“我有负于黄权，不是黄权辜负了我，仍然同过去一样对待黄权的家眷。”刘备下令前线将领收兵还回巫县。
吴将孙桓返回以后，被孙权拜任建武将军，封丹徒侯，带伤下督牛渚，最终因伤势严重，饮憾死亡。
吴将徐盛、潘璋、宋谦、鲜于丹各出前锋，与李异、刘阿进至白帝城的南山，收集汉军的情报，他们纷纷上表孙权说：刘备全军败退，兵力难以复振，请令继续进攻，一举即可将他生擒。
孙权听到刘备驻守白帝城附近的永安县，并且正在集结军队，大有反攻的气势，这使他非常惊惧。他知道为了保卫荆州，打赢这次夷陵之战，已经投入了全吴的兵力，在对峙期间，曾被刘备统辖的荆州郡县，纷纷起兵响应，吴军防守力量已经用尽，十万人马迎战刘备四万人，竟然失地七百里，相持一年零一个月，陆逊临时采用诈术火攻，才侥幸取胜。并且当刘备败退之后，大部汉军死战不降，黄权宁愿降魏也不向孙吴投降。当刘备全军溃败以后，荆州响应刘备的旧部依然抗击吴军，处处阻挡。如果刘备再反攻过来，后果实在不堪设想。这时孙权才感到以前制定的图蜀设想实在太简单了。通过这次战役，他知道吴军在水战陆战山地战都打不过汉军，只有采用诈术才能收到效果，而诈术毕竟是有限的，汉军识破之后再用就会失灵，所以，这个仗不能再打了。孙权还敬佩钦服刘备的胆识战略，他在失去荆州的丧乱之后，以一个益州之地十万兵力敢于敌对魏吴两个大国，并且使魏国不敢轻举妄动，而在夷陵失利之后，还要进行决战，这个一对两强的战略决策，是孙权无论如何也办不到的。为了全力对抗刘备，他不惜向魏称臣纳贡，辱没身份，而且面临吞并的危险。魏文帝曹丕还要求孙权速送儿子到魏作质，孙权一再推托，已经拖延不下去了。他面临着左右为难的抉择，送儿作质，降魏称臣，将来必被曹魏兼并，违抗不遵，曹丕必然兴师问罪，如果曹丕和刘备一起进攻，孙氏江东基业必然分崩离析。孙权没有刘备那种一对两强的才略和资夲，必须改变缓和对蜀汉的政策。这时，他又回想起当初和刘备同盟的好处，刘备指挥赤壁大战，击败曹军，挽救了江东危机。当刘备兵力强盛以后，并没有以强兼弱，而是继续维护联盟。孙权为了争夺荆州，迎回亲妹，兵袭三郡，刘备划分郡县，重立盟约，并没有讲任何条件。比较曹丕，高低优劣一片明朗。于是孙权断然决定再次联刘反曹，永不再变。他当下发布命令，召刘阿、李异退守巫县。
九月，曹丕限令孙权送儿子上路，孙权再次礼貌回绝。曹丕这才发现孙权心中有诈，后悔没有听从谋士刘晔配合刘备消灭孙权的计策，诏令各路大军进攻孙吴，并亲自南下督战。孙权改年号黄武，派出主力依凭长江拒守。
冬季十月，吴王孙权派遣太中大夫郑泉前往蜀汉访问汉帝刘备，刘备派遣太中大夫宗玮到吴回报。从此东吴和蜀汉又开始恢复交往。
这一年，左将军、骠骑将军马超听到汉帝刘备东征失利的消息，深感讨伐曹魏的计划倍遭挫折，因此激愤成病，年底身亡，时年四十七岁。