贞观八年（634年），改任梁州刺史。贞观十年正月（636年），改封汉王，改任梁州都督。贞观十七年（643年），改任陇州刺史。李元昌少好学，善隶书，又善画马。与太子李承干关系良好，常在一起游玩，俱谋取帝位。贞观十七年（643年）四月，太子李承干、汉王李元昌、兵部尚书侯君集等阴谋发动政变，事败，唐太宗想要将他特敕免死，受到大臣高士廉、李世勣阻止。四月六日（4月29日）李元昌被赐自尽于家，时年二十五岁。妻子被籍没。当年十月十五日（12月1日），又以国公礼葬于雍州之高阳原。