吕文焕是南宋淮南西路安丰军（今安徽寿县）人，小名吕六，与其兄吕文德同为宋末抗蒙将领。出身平民，早年隶淮东制置使赵葵麾下，为一员骁将。宋理宗时曾在四川抗击蒙古。宋度宗咸淳三年（1267年，蒙古至元四年）十二月，吕文焕以功累擢知襄阳府兼京西安抚副使，抵御蒙古将领阿术、刘整围攻。事实上先前吕文焕已守卫襄阳三年，这次是接替程大元成为正式的襄阳守将。

从1267年（南宋咸淳三年，蒙古至元四年）十一月开始，蒙古军队就长期围困襄阳城，他们先后在城西南和城东北修筑城堡，控制宋军白河、汉水及陆路交通，在城西和城南立栅，切断宋军东路，又在迎旭门外汉水中筑台阻遏南宋水军。吕文焕急向其兄吕文德求援，吕文德认为襄阳城坚池深，未予重视。吕文焕多次出击，均未能破围。次年九月，阿术采纳刘整建议，训练水军7万，造战船5000艘，以加强水上作战能力，使宋军无法再经汉水入援襄阳。

吕文焕困守孤城，间有张世杰、张贵、范文虎等人入援，但都以失败告终。而宋廷对于吕文焕也不甚放心，朝廷中不断有人呼吁以高达代替吕文焕。1270年（南宋咸淳六年，蒙古至元七年）春，吕文焕以步骑一万五千人、兵船百余人奇袭襄阳西北的蒙军的造船基地万山堡，但被蒙古将领张弘范打败。御史李旺向宰相贾似道进言起用高达，贾似道说：“吾用达，如吕氏何？”李旺说：“吕氏安，则赵氏危矣！”吕文焕也听到这个传闻，心里很不爽。他的一个门客献计道：“今朝廷以襄急，故遣达；吾以捷闻，则达必不成遣矣。”吕文焕采用了这个计策，抓获了几个蒙军哨骑后就向朝廷报捷。但事实上朝廷并没有急于派高达援襄阳。从此事可以看出贾似道对吕文焕的支持及吕文焕与南宋朝廷相互不信任关系。这一年，蒙古命宋衜写信劝降吕文焕，就称：“足下在吕氏族中，最才最贤，（宋廷）必将易置腹心，尺书见召，鱼脱于渊，其祸不可测也。”企图离间吕文焕与南宋朝廷间的关系。

尽管如此，吕文焕仍奋力抗敌，到1272年（南宋咸淳八年，元朝至元九年），襄阳城内物资紧缺，对外联系也被断绝，宋朝援兵迟迟不来，史载吕文焕“捍御应酬，备殚心力。粮食虽可支吾，而衣装薪刍断绝不至。文焕撤屋为薪，缉麻为衣，每一巡城，南望恸哭”。1273年（南宋咸淳九年，元至元十年）正月九日，在回回炮的助攻下，元军将领阿里海牙攻克樊城，并屠其全城，襄阳彻底成为孤城，元世祖忽必烈降诏谕吕文焕：“尔等拒守孤城，于今五年，宜力尔主，固其宜也。然势究援绝，如数万生灵何？若能纳款，悉赦勿治，且加迁擢。”吕文焕开始动摇了。

攻破樊城后，元军将领阿里海牙移攻襄阳，仍发回回炮轰击，所中无不摧陷，城中守军大乱。刘整以前曾到襄阳城下劝降吕文焕，被伏弩所伤，因此主张毁掉城墙、俘虏吕文焕，阿里海牙不同意，亲自至城下再次劝降，告诉吕文焕：“君以孤城御我数年，今鸟飞路绝，帝实嘉能忠而主。信降，必尊官重赐以劝方来，终不仇汝置死所也。”他们还在城下喊道：“我师所攻，无不取者，汝孤城路绝，外无一兵之援，而欲以死守求空名，如阖郡之人何？汝宜早图之！”吕文焕内心已欲投降，但犹疑未决。于是阿里海牙和吕文焕折箭为誓担保，吕文焕感泣，1273年（南宋咸淳九年，元至元十年）二月二十四日，吕文焕和儿子出城投降，归顺元朝。襄阳也因此失守，南宋灭亡已成定局。

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。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）。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（南宋德祐元年，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。

1276年（南宋德祐二年，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。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，又隤家声。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！”

1277年（元至元十四年），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。其后吕文焕赞同元世祖讨伐日本的计划。

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。

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。”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。后吕文焕卒于家。

吕文焕是南宋著名降将，与洪承畴、弗拉索夫等人境遇相似，因此他在历史上的评价很低，背负了卖国贼、汉奸等恶名。他成为了宋末民族叛徒的代表，比如清朝乾隆帝曾说：“才德兼优者，上也；其次，则以德为贵，而不论其才焉。……当宋之亡也，有才如吕文焕、留梦炎、叶李辈，皆背国以降元……”。近代小说《痛史》也斥责吕文焕“卖国偷生”、“丧尽天良”。尤其是文天祥痛斥吕文焕这一典故，使吕文焕的形象更加贬低。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。”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？”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”。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。