不久，趙高指使他的私黨，分成十幾批，假扮成御史、謁者、侍中等官員，輪流去審訊李斯。李斯沒有看穿到趙高的陰謀，便改了口，如實對答，想通過他們為自己伸冤。而趙高總是不斷派人嚴酷地拷打他，後來，二世派人向李斯驗證口供。而李斯卻認為這與前幾次一樣，都是趙高派的人。於是，為了免遭皮肉之苦，他便承認了自己所謂的罪行。二世看到了李斯的口供，高興地對趙高說：「要不是多虧了你，朕幾乎被李斯這個奸臣出賣了！」朝廷派專使前往三川郡審問李由，但是專使到達之前，李由已經被起義軍殺死。專使回京以後，正好李斯已經被定罪關入死牢，於是，趙高就隨便偽造了些李由謀反的罪狀，二世爽快地簽上了自己的大名。
二世二年七月，朝廷判決李斯五刑罪，先是押到咸陽集市上處以腰斬。李斯與他的兒子被一同押赴刑場。在路上，李斯回頭對他的次子說：「我還想再和你牽著黃狗，一同到上蔡城的東郊去追逐狡兔，這願望恐怕是再也實現不了了！」說完，父子倆人相對哭泣。就這樣，堂堂的大秦朝的開國丞相被夷滅了三族。