李存孝陷入了艰难保卫战之中，在晋军的沟堑战术下，邢州城已然是"飞走不能及"的孤城。这一年年底，邢州城已经弹尽粮绝，李存孝决定投降。乾宁元年（894）三月，李存孝登上城墙，对城外的李克用哭诉："儿蒙王深恩，位至将帅，苟非谗慝离间，曷欲舍父子之深恩，附仇雠之党！儿虽褊狭设计，实存信构陷至此，若得生见王面，一言而死，诚所甘心。"
李存孝说父子情深，将如今分道扬镳、兵戎相见悲剧归结为他人谗言挑拨。李克用动了恻隐之心，派夫人刘氏入城慰劳。刘夫人将李存孝带到李克用大营请罪，李存孝当即跪下认罪说："儿立微劳，本无显过，但被人中伤，申明无路，迷昧至此！"
李存孝说的"被人中伤"，就是说李存信背后进谗言。李克用一听，又火了，大骂道："尔与王镕书状，罪我万端，亦存信教耶！"李存孝与王镕结盟，这是既成事实，也不能全部归咎于李存信打小报告。
于是，李克用将李存孝押回太原，以车裂处死。其实李克用"深惜其才"，本不想下手诛杀，希望诸将为他求情，就此顺势免了他的罪。哪里知道，李存孝平日孤傲自负，引得诸将嫉妒，竟然没有一个人出面求情，这样一位"挺身陷阵，万人辟易"的猛将最后落得一个车裂的 下场。
李存孝死了，李克用也是痛惜的，对于手下诸将很是失望，"不视事旬日，私憾诸将久之"。李存孝惨死，河东集团失去一员猛将，制衡幽蓟一带的刘仁恭又少了一个利器。对于李氏沙陀的霸业也是不小的损失，"自是克用兵势浸弱，而朱全忠独盛矣。"
