背景
赤壁大勝後，孫劉聯軍實施下一步戰略，試圖將撤退的曹操軍向江陵（在今荊江，非今湖北江陵縣）驅趕，奪取南郡。
戰役
絕曹仁糧道
周瑜擔心曹操分散在各處戰略要地並未受損的各隊精兵總計十萬，劉備建議周瑜斷絕江陵的補給，以趕走曹仁。故周瑜勸劉備派關羽通過滲透戰鬥阻斷曹仁的糧道，讓關羽越過江陵的戰略要點攻擊敵後，孤立江陵，以便協同進攻。劉備命張飛、關羽統兵。關羽受命，率軍北上阻攔敵援軍，阻斷主要道路。關羽和蘇非（未知是否即吳將蘇飛）率水軍和二千人的偏師沿漢水而上，關羽的二千人北上深入曹軍防線二百里，攻擊江陵北方的漢津等地。把守襄陽的樂進發兵驅逐。曹仁遣派江陵的徐晃與當陽的滿寵聯軍企圖夾擊奪回關羽控制的漢津口，但是沒有成功。
關羽數千人又東上繞過駐軍當陽的滿寵，占據荊城（今湖北荊門市鍾祥市西南）並攻擊尋口（鍾祥市漢水西岸），屯駐夏口的文聘與樂進趕往救援。文聘水軍又去搶奪關羽在漢津的輜重物資。並在荊城燒毀關羽的戰船，成功打退關羽軍的進攻。但北方的樂進、滿寵、文聘等人，也始終沒有南下江陵救援曹仁，也無法攻擊周瑜軍。北方數萬曹軍被跟關羽連續對峙與戰鬥牽制，劉備與周瑜斷絕江陵外援的作戰獲得一定的成果。
劉備與劉琦收復荊南之戰
荊州在長江以南還有四郡在曹操管下，當時北上驅逐關羽未果的徐晃南歸，跟曹仁會師攻擊周瑜。正是曹仁與周瑜大戰方酣之際。劉備以劉琦為荊州刺史帶部南下收復荊南，史書上並沒明確說當時孫權與周瑜支持或認同，也沒說劉備與劉琦支持周瑜獨吞或從此長駐江陵。但事實上也達到穩定聯軍的後方和側翼的作用。四郡武陵金旋、長沙韓玄、桂陽趙范、零陵劉度皆望風歸降。更重要的是，劉備的此次征服是赤壁軍事行動的一部分，也是孫劉聯軍的目標之一。劉備有了自己的基業，以諸葛亮為軍師中郎將，總督長沙、桂陽、零陵政務。
但劉備最大的收穫還在後頭：廬江的割據勢力雷緒軍主動來投，使他的軍力瞬間翻番。雷緒在得知曹操烏林敗績後，就在廬江起事。曹操先前將舊部分散在江北以防叛亂的部署起了作用：他很快派夏侯淵召集軍隊平亂，但夏侯淵並未取得完勝：雷緒雖戰敗且失去地盤，但所部並未受損，他率部投靠劉備，增強了劉備的力量。
同時，劉備讓向朗總督秭歸、夷道、巫山、夷陵四縣。孫權與周瑜在經談判後，將夷陵分給劉備，逐承認劉備占領荊南的事實。
僵持
此時除了劉備外，聯軍還有其他內部問題，孫權雖以周瑜、程普為左右部督共同領軍，但還是以周瑜為主帥。副帥右部督程普依然跟周瑜不合，周瑜繼續與其互相內斗。呂蒙對這問題感到相當憂心，任程普與周瑜的內部私相鬥爭嚴重破壞軍隊的行動，這可能也是影響聯軍久攻不下的因素。
孫劉聯軍雖然也受到了損失，但和曹操軍相比就顯小了。幾個月前，曹仁在一次奪回夷陵的嘗試中損失了三千多精騎兵，他和來援的徐晃也無力壓制獨力守御周瑜大營的凌統。因此江陵守軍士氣低落，曹仁也知道自己需要採取措施改變戰局。為防士氣繼續低落，他募得士兵三百人，組成由將軍牛金率領的突擊隊，希望他們在戰場上取得小勝或表現出勇敢來振奮士氣。當敵軍前部來到城外時，這股小部隊被圍。曹仁令帳下數十壯士準備相救，長史陳矯勸止：“敵軍士氣正盛，就算我們損失幾百人又如何。”曹仁無視陳矯懇求，出城沖入敵軍。陳矯看不到曹仁，以為他陣亡了。但出人意料的是，曹仁第一次嘗試就救出了牛金，又回頭去救其餘的人。曹仁率部安全退回城中，他和牛金部的戰死者合計也只有數人。陳矯吃驚之餘嘆道：“將軍真天人也。”曹操很快得知，因曹仁在此戰中的英勇表現賜封他為安平亭侯。受到嘉獎的曹仁在城外紮營。周瑜親自率軍突襲曹仁營，一次右肋中箭，受了重傷。
曹仁撤退
苦戰一年中，曹操持續增派數萬大量援軍與北方諸將意圖突破聯軍對江陵的封鎖線，終由豫州的太守李通奮勇作戰，逐個排除路障前進。這支新生力軍表現遠勝過久戰疲兵的曹仁、徐晃、樂進等諸將，關羽與孫劉聯軍終於無力阻止曹軍南下，李通企圖迎回曹仁要他放棄江陵北上，一起南北突圍，但戰到中途李通即突然病死。
這場圍城戰因而曠日持久。由於周瑜重傷後幾乎失去指揮軍隊的能力，凌統、呂蒙等接手戰局，他們被迫採取權宜之計，將眼下目標轉為挫折敵軍的小股部隊。周瑜康復，堅持親自領軍，故意在曹仁面前張揚列陣，以示堅持攻勢的決心。周瑜實則已處境危險，但曹操被騙，無奈令曹仁在軍隊無力應對物力和人力的持續損失的情況下撤退。孫權軍因而最終實現了攻取長江上游要地南郡的目標，這一戰略據點此後再未被曹魏收復。
後果
劉備成為荊南有勢力的軍閥後，跟孫權就相關支配權出現分歧，孫權基於政治考量，害怕他反叛，故安排妹妹嫁給劉備。在都督周瑜死後，孫權軍師魯肅幫助下，劉備從孫權處“借”得南郡。劉備自此穩固地具備了入侵益州的條件，並將於211年進軍益州。
因為隨著雙方對抗的停止和戰鬥轉為圍城，曹操於209年3月退回位於譙的前沿基地，孫權也放棄了東線對合肥的進攻，傳統認為江陵之戰是赤壁軍事行動的完結，江陵圍城戰的餘下戰事也不再被大多史學家認作赤壁軍事行動的一部分了。孫權攻陷江陵通常被認為是赤壁軍事行動的戰果。
