遂出城投降，请罪说是被人中伤、无法自明所致。李克用怒斥：“你给王镕写信，怪罪我，这也是李存信教的吗！”押回晋阳（山西省太原市）。李克用原本不想杀李存孝，询问诸将是否放过李存孝。可是诸将或因妒忌李存孝，无人肯为他求情。最后在军营门外，用车裂酷刑处死。好友薛阿檀担心连累自己，自杀。李存孝死后，李克用每次和诸将赌博，谈到李存孝就泪流不止。
逸事.李存孝在正史记载不多，但在演义小说和民间传说中却非常有名。宋刊残本《五代史平话》涉及李存孝尚少，然而元杂剧中存孝的故事却大量出现，主要传说包含「