吕文焕投降后，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。[5]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。1274年（南宋咸淳十年，元至元十一年）二月，吕文焕拜参知政事、行省荆湖，跟随元将伯颜征讨南宋，招降沿江州郡，陷沙洋、新城、鄂州等城。元世祖命吕文焕率其麾下，以善遇降将的圣旨，招谕元军尚未攻下的州郡。当时沿江诸将，多是吕氏旧部，争相望风款附，投降元朝。当然也大有忠贞爱国之士，如新城守将边居谊对于吕文焕的招降，诱其至城下，伏弩乱发，几乎将吕文焕射死（边居谊在城破后赴火而死）。[9]宋廷多次派人请和，吕文焕不听。元军一路高歌猛进，直抵南宋都城临安（今浙江杭州）。吕文焕的投降给南宋造成了致命的后果。1275年（南宋德佑元年，元至元十二年）五月，南宋谢太皇太后下诏晓谕吕文焕等人，吕文焕回书一封，不为所动。于是南宋朝廷下令籍没吕文焕等人全家。[10]1276年（南宋德佑二年，元至元十三年）正月，吕文焕从伯颜进逼临安，南宋投降，入城持黄榜宣谕军民，并与范文虎按照按照宋朝臣子的礼节参拜了两宫太后。当时，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，文天祥在军营举动异常，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。[5]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，又颓家声。今合族为逆，万世之贼臣也！”甚至元朝将领伯颜、唆都都对文天祥钦佩不已，唆都说道：“丞相骂得吕家好！”[11]

从历史来考察，吕文焕与其兄吕文德提携而发迹，在宋蒙战争中摸爬滚打数十年，最后守卫襄阳达六年之久，终因孤立无援，被迫投降，他为保卫国家、抵御蒙古侵略已经尽力了，他的投降也是无可奈何之举。这一点已经得到当时许多人的理解，比如宋末元初诗人汪元量便在《醉歌》中写道：“吕将军在守襄阳，十载襄阳铁脊梁。望断援兵无信息，声声骂杀贾平章。”[16]指出吕文焕投降的根本原因在于南宋朝廷的腐败。《钱塘遗事》也评论说：“独守孤城，降于六年之后，岂得已哉？”[3]吕文焕在回复南宋朝廷的书信中，也为自己降敌辩解道：“因念张巡之死守，不如李陵之诈降，犹期后图，可作内应。”“非曰子弟攻其父母，不得已也”。[17]尽管如此，吕文焕不仅投降了元军，还为虎作伥，作为元军前锋引元军东下，导致了南宋的迅速灭亡，如此丧失民族气节的卖国行径是无法洗清的。

吕文焕被任命为中书左丞，仍宣慰江东，负责招降和安抚宋朝军民的工作。在这一过程中，吕文焕奉元世祖之命对南宋降兵能用的每月发衣服粮饷，不能用的命他们屯田。跟从吕文焕办事的党项人江东按察使阿八赤请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。[5]其后吕文焕赞同元世祖讨伐日本的计划。[12]1286年（元至元二十三年）正月，吕文焕以江淮行省右丞请老，辞官归乡，元世祖许之，仍任其子吕师圣为宣慰使。[5]元朝文学家白朴的《天籁集》收录了有吕文焕致仕后，于十二月十四日为平章吕文焕写的祝寿词，说吕文焕降元后“衣冠不改，意气横秋”，描述退休后他的生活“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。”[13]直到元成宗大德二年（1298年），还有吕文焕修建金陵（今南京）常照庵的记载。[14]后吕文焕卒于家。