Việc phòng thủ Tương Dương đến hồi kết vào năm 1273, với sự xuất hiện của máy bắn đá trọng lực, tức Tây Vực pháo (Còn gọi là Hồi tân pháo). Do tướng người Hán là Quách Khản đã từng chiến đấu cùng với quân Mông Cổ dưới quyền Húc Liệt Ngột ở vùng Trung Đông, nên Hốt Tất Liệt đã nghe nói về các vũ khí bao vây khủng khiếp. A Bất Ca hãn (Abaqa Khan) của Y Nhi hãn quốc đã gửi các chuyên gia Ba Tư Ismail và Al al-Din đến Trung Hoa theo chiếu chỉ của Đại hãn Hốt Tất Liệt vào năm 1272. Họ đã dựng các Tây Vực pháo dưới sự chỉ huy của tướng người Duy Ngô Nhĩ là A Lý Hải Nha vào tháng 3 năm 1273. Những chiếc Tây Vực pháo này có tầm bắn lên tới 500 m, và có thể phóng các quả đạn nặng tới 300 kg. Thêm vào đó, những chiếc máy bắn đá mới này còn chính xác hơn nhiều so với các máy bắn đá kiểu cũ, và chúng là loại pháo duy nhất có đủ sức mạnh để công phá các bức tường thành kiên cố của Tương Dương. Quân Nguyên làm khoảng 20 chiếc, và dùng chúng để hỗ trợ cuộc bao vây Tương Dương.

Quân Nguyên bắt đầu vây hãm Phàn Thành vào đầu năm 1273. Lính Nam Tống ở Tương Dương đã chứng kiến những tảng đá khổng lồ rơi vào những bức tường thành khổng lồ của Phàn Thành, và phá hủy những căn nhà trong thành. Những bức tường thành, cùng với lưới, đã bị phá hủy thành từng mảnh. Ngay khi thành sụp đổ, kỵ binh Mông Cổ tràn vào pháo đài. Phàn Thành đã nhanh chóng thất thủ chỉ trong vòng vài ngày sau khi chống giữ trong nhiều năm liền. Tướng giữ Phàn Thành là Phạm Thiên Thuận tử tiết theo thành[7].

Quân Nguyên sau đó chuyển hướng sang Tương Dương. Tuy nhiên, Lã Văn Hoán chưa đầu hàng, vì ông biết rằng Tương Dương không được phép thất thủ. Ông gửi một người đưa tin tới chỗ Hoàng đế Tống Độ Tông, yêu cầu cứu viện ngay lập tức. Người đưa tin đã vượt qua được phòng tuyến của quân Nguyên và đến được chỗ Hoàng đế. Nhưng khi nghe về sức mạnh của những chiếc máy bắn đá mới đó, Hoàng đế cho rằng Tương Dương đã mất và đã không gửi quân cứu viện tới.

Vài ngày sau đó, lính Nam Tống nhìn về phía nam mong chờ quân cứu viện, nhưng tất cả những gì họ nhìn thấy chỉ là những chiếc Tây Vực pháo của người Nguyên và quân Nguyên đang chờ đợi để kết liễu họ. Trong nhiều năm, lính Nam Tống đã hy vọng rằng tình thế cuối cùng sẽ chuyển biến tốt hơn, nhưng cuối cùng nó đã chỉ tồi tệ đi.

Tháng 2, một phát đạn thử nghiệm được bắn vào thành phố, và có vẻ như phát đạn này đã bắn vào một thạch kiều trong thành. Khi quả đạn rơi xuống đất, nó phát ra tiếng như tiếng sấm. Lính Nam Tống đến kiểm tra thiệt hại, và họ kinh hãi khi thấy rằng quả đạn đã ngập hàng mét xuống lòng đất.Sự hỗn loạn bao trùm sau phát đạn thử nghiệm đó. Nhiều người lính và dân chúng đã cố gắng mở cổng thành tháo chạy. A Truật đã tàn sát thường dân ở Phàn Thành để khủng bố tinh thần Tương Dương sau khi ông ta chọc thủng những bức tường của thành này bằng máy bắn đá. Người Nguyên nói với Lã Văn Hoán rằng, nếu quân Nam Tống không đầu hàng thì mọi người trong thành, kể cả thường dân, sẽ bị tàn sát. Lã Văn Hoán thấy không còn cơ hội nào để thủ thành, và không thấy dấu hiệu có quân tiếp viện tới, vì thế đã đầu hàng, kết thúc sáu năm dài bị bao vây.