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。