李懷光屯鹹陽，準備與朱泚聯合。李懷光的假子、親信、都將石演芬（本胡人），就私下派郜成義赴行在，告發李懷光無破賊之意，“請罷其總統”。郜成義將此事又告知李懷光子李琟。李懷光得知以後，召石演芬罵曰：“爾為我子，奈何欲破吾家？今日負我，宜即死。”石演芬對曰：“天子以公為肱股，公以我為腹心。公乃負天子，我何不負公？不呼我為賊，死固吾分。”李懷光氣急敗壞，竟然讓軍士臠食之，即讓軍士一片一片切割石演芬，吃他的肉。眾將士都說：“烈士也，可令快死。”很快用刀砍斷了石演芬的頸，將其殺死。
李懷光看到唐德宗並不信任自己，他既不敢進軍，又遷延自疑，隻有造反。當初，德宗曾下詔遣崔漢衡使於吐蕃，請出兵幫助大唐京城，蕃相尚結讚曰：“蕃法，進軍以統兵大臣為信。今奉製書，無懷光名署，故不敢前。”德宗又遣翰林學士陸贄找李懷光議用蕃軍，李懷光堅持不可再三，不肯署製，詞慢，且謂贄曰：“爾何所能？”興元元年（784年）二月，唐德宗害怕李懷光反叛，為了拉攏李懷光，下詔加為太尉，兼賜鐵券，派李升及中使鄧鳴鶴賚券喻旨。李懷光大怒，投券於地曰：“凡人臣反，則賜鐵券，今授懷光，是使反也。”他認為這是在逼他造反，“詞氣益悖，眾為之懼”。當時李懷光的部將韓遊瑰在奉天掌兵，懷光乃與遊瑰書信，約他為變，韓遊瑰密奏德宗。李懷光於是宣言：“吾今與朱泚連和，車駕當須引避。”因此，德宗又奔逃梁州。
李懷光越來越疑懼不自安，二十天以後，驅兵分為部隊，掠涇陽、三原、富平，自同州往河中。韓遊瑰殺掉李懷光的留後張昕，以邠州從順德宗。戴休顏自奉天令於軍曰：“懷光已反。”乃令城守馳表以聞。德宗於是授韓遊瑰、戴休顏為節度使。任李懷光為空頭的太子太保，罷掉他其餘的官職，其所管委本軍擇一人功高望崇者統之，都不敢奉詔。四月，李懷光到河中，據同、絳等州，按兵觀望。
唐德宗隻有把希望寄托在大將李晟身上，李晟收複了京師，德宗返還京師，派侍中渾瑊為河中節度副元帥，發兵征討李懷光。渾瑊複破同州，屯軍不進，數次為懷光所敗。時仍歲旱蝗，京師初複，經費不給，言事者多請赦免李懷光。時河東、節度使馬燧威名素著，德宗乃加馬燧副元帥，與渾瑊及鎮國軍節度使駱元光、邠寧節度使韓遊瑰、鄜坊節度使唐朝臣會兵同討李懷光。馬燧率軍拔絳州，至寶鼎，慮李懷光西走，進攻京邑，乃舍軍朝京師。既還，與渾瑊先自河東而收服李懷光的驍將尉珪、徐庭光，統諸軍圍河中。貞元元年（785年）秋八月，李懷光兵敗自殺身亡，李懷光死時年僅五十七歲。
五、靈州二懷 功過是非
大唐靈州刺史中有二懷：仆固懷恩和李懷光兩位著名節度使，他們二人在許多方麵有非常相似之處。一、二人都是少數民族將帥；二、二人都一直是朔方軍將領；三、二人都英勇善戰，為保衛大唐江山，出生入死，立下了赫赫戰功；四、二人都因功升任朔方節度使；五、二人都參加平叛戰爭立大功，一是平息安史之亂，一是平息朱泚之亂；六、二人都因功累升許多官職，而且都官至宰相；七、二人都因為遭奸臣陷害“逼上梁山”，被迫造反；八、二人結果都兵敗身亡；九、二人死了以後，皇帝都還覺得遺憾，一個悲痛地說“懷恩不反”，一個長久懷念其“千裏勤王”之功。李懷光死了以後，唐德宗非常痛心，由於李懷光的兩個兒子也都已經死去，他下詔為李懷光尋找男子一人為嗣，接續李家的香火，賜莊宅各一所，歸還李懷光屍首，任其收葬，妻子並徙澧州。貞元五年（789年），又下詔懷念李懷光的功勞，遺憾他的反叛，“議功方始，守節靡終”。他賜李懷光的外孫燕八八李姓，名丞緒，授以左衛率府胄曹參軍，承懷作為李懷光之後人，賜錢一千貫，讓他在李懷光墓側置立莊園，侍養懷光妻王氏，並備四時享奠之禮。唐史臣評價仆固懷恩和李懷光，都英勇作戰，有功勞於唐王朝，最後造反皆為奸臣所逼：“仆固懷恩、李懷光，鹹以勇力，有勞王家，為臣不終，遂行反噬，其罪大矣。然辛雲京、駱奉先、盧杞、白誌貞輩，致彼二逆。”