《三国演义》一向有“七实三虚”之说，在其中虚构增益最多的一个人物，也许便是关羽。“桃园三结义”作为《三国演义》的开篇，是流传最广，影响最大的三国故事之一。刘备、关羽、张飞因缘凑合，志向相投，于是在桃园结为异姓兄弟。《三国演义》中刘关张的结义，就是仿照宗法亲亲原则之“兄弟友于”的观念，用盟誓明神的方式约为兄弟。刘关张是否有“桃园结义”之举，史无明载。

《三国演义》中关羽第一次在大战役中出头露面的描写，是第五回的“温酒斩华雄”。先是竭力铺陈董卓部将华雄之骁勇。袁绍叹息说：“可惜我上将颜良、文丑未至，得一人在此，何惧华雄？”言未毕，关羽在阶下大呼而出曰：“小将愿往斩华雄头，献于帐下！”袁绍和袁术因关羽只是一个马弓手，不同意他出战，恐被华雄所笑。关羽说：“如不胜，请斩某头！”曹操支持他出战，教斟上热酒一杯，与关羽饮了上马。关羽说：“酒且斟下，某去便来！”出帐提刀，飞身上马。不大的工夫，关羽便回来了，提华雄之头，掷于地上，其酒尚温。但在历史上，华雄并非死在关羽刀下，而是在阳人（地名，今河南汝阳东北）之役战死的。《三国演义》所以移花接木，要把功绩记在关羽身上，就是为了给关羽出山一个漂亮的“亮相”，同时引出后文故事来。

《三国演义》中第二十五回写曹操东征徐州，大败刘备。关羽被围困在一座土山上，张辽上山劝降，关羽约三事，这三事是：降汉不降曹，即只降汉帝，不降曹操；二是厚养甘、糜二夫人；三是一旦发现刘备下落，即去投奔。张辽回报曹操，曹操答应，关羽亦得二嫂同意，才投降曹操。《三国演义》中关羽向二嫂征求是否降曹一事，不大可能。历史上亦只写关羽降曹，并没有谈及条件。

其实《三国演义》对于关羽故事虚构得最多，最集中的就是他辞别曹操，投奔刘备过程中的“过五关，斩六将”及“千里走单骑”（第二十七回）这一大段。关羽千里单骑，如何“奔先主于袁军”，史书失载。但是后人揣想，其中还应该发生一些曲折故事，于是就有了“过五关，斩六将”的情节。作者所以着意增加和铺叙这段曲折，主要是突出他护送二嫂的忠诚及艰辛。此外还交代他一路上增添了周仓、关平两位随从。《三国志‧关羽传》说：“（孙）权遣将逆击羽，斩羽及子平于临沮。”裴松之注引《蜀记》也说：“权遣将军击羽，获羽及子平。”可知他们是父子一同被难的。周仓是《三国演义》为关公增饰的另一人物。历史上本没有周仓。

“赤壁火攻”后，曹军仓皇从陆路撤退。关羽当时率领荆州水师，并没有参加此次战役。但后世演义者不甘心此节，又考虑到关公辞曹归刘之际，曹操不但没有阻拦，反而“义之”，觉得关羽不能白受其恩，必当有以报之，于是杜撰出“华容道义释曹操”（第五十回）的情节来。元代《三国志平话》犹以关公忽然“面生尘雾”，为纵曹逃去塞责。《三国演义》则增加了孔明军令，关、曹对话，纵之逸去等事，突出“义释”二字，为“知恩报德”之举。

《三国演义》中写到刘备攻取汉中，为汉中王。大将关羽在荆州一线进迫曹军，取襄阳，并围樊城。曹操遂派于禁统领七军解围。后于禁把曹军移至罾口川险隘之处，适逢连日下雨，关羽忽施妙计，派人堰住各处水口，襄江水势暴涨，关羽放水尽淹七军，擒于禁及庞德。但历史上所载此役因天灾令曹军大败，非关羽放水之故。

《三国志》曾载关羽曾经不小心被流矢射中，把他的左臂给贯穿了。后来箭疮虽然愈合，但每逢阴雨，臂骨常常疼痛。医生对关羽道：“箭头上有毒，而毒已渗进骨中，必需要在你的手臂上重新开个口子，刮骨去毒，然后才能根绝此患。”关羽二话不说，当场左臂一伸，就交给医生全权处置。那时关羽恰好和诸将一起吃饭，而手臂上鲜血淋漓，连在下面承血的盘子都满出来了。但关羽一边割着烧肉吃一边取酒喝，言笑自若，和平常没个两样。

《三国演义》（第七十五回）对这件事的处理非常精采，把疗伤的医生说成是当时的神医华佗。一是因为华佗名气很大，既借关羽之口赞华佗：“先生真神医也！”又借华佗之口赞关羽：“君侯真神人也！”以彼此映衬。二是以此与后来曹操患头通风，华佗要为他进行开颅术，结果曹操多疑，反而杀了华佗一事作对比，益发彰显光明磊落的君子风度，与猜忌多疑小人心胸的差别。三是史书记载华佗的确发明有麻醉剂“麻沸散”，也使“刮骨疗毒”的小说情节更有说服力。