不過在五代時期，誰手中的刀槍鋒利，誰就有資格說話，李存孝不在為人處世上下工夫也情有可原，畢竟他是靠真本事混飯吃的。他的武藝就足以讓別人閉嘴。但後來發生的事情讓他明白了一件事，一味地去創造成功，而不顧及社交活動，肯定會吃大虧。
幽州的李匡威和鎮州的王熔在李存孝最春風得意的時候開始活躍起來。他們向中山侵犯，擁有中山的定州王處存因為總吃他們兩人的敗仗，就請李克用幫忙。李克用就讓李存孝去進攻王熔，又讓另一位太保李存信擔任總司令。
唐景福元年（892）正月，李匡威出兵救王熔，雙方就要開戰前，李存信主張先攻王熔，李存孝反對，他想在圍城的前提下打擊前來援助的李匡威。
總司令李存信很是憤怒，他是最高軍事長官，而李存孝卻忽視他的計劃。一向就很嫉妒李存孝的他最終決定給李存孝以好看，他向李克用汙蔑李存孝，說李存孝和王熔經常眉來眼去。李克用有些相信，因為在五代，叛徒的數量最多。況且，在那個武人猖狂的時代，誰有大刀大槍，誰就可以為王。李克用擔心之下命令李存孝進軍，而李存孝這個時候認為時機未到，李存信立即危言聳聽，他說，李存孝有二心。
李克用震怒，給李存孝傳口信，直截了當地問他：你是不是有二心，為何不進攻？
李存孝當然是氣得死去活來，他多年以來為義父肝腦塗地，居然得到了這樣一個評價。他在震怒之餘，突然想到了這樣一個事實，父親喜怒無常，這個口信證明父親明顯是相信了別人的危言聳聽。那麼，事情就很不好解決了。即使這次戰役以勝利而結束，他的父親會不會真就放過他呢？多年以來，他父親待他其實並不厚，他也偶有怨氣。此時，他並沒有想如何向父親解釋自己的軍事戰略。他想的是，如何解除自己身上的誣陷之詞。思來想去，他幹脆一不做二不休，既然誣陷他有二心，那他就順水推舟，就有了二心吧。
他給王熔寫了封信，信的內容不得而知，但肯定不是投降。因為在李存孝眼中，王熔還不配做他的頭。但不久後，他居然和王熔聯合向朝廷上呈表章以邢州、州、磁州三州歸順朝廷，並請求賞賜給他節使度的旌旗節鋱，以及會同各道軍隊討伐李克用。
李克用被氣得死去活來，該年三月，李克用聯合王處存攻打王熔，結果卻被王熔打敗。第二年，李克用再領大軍攻王熔。王熔迎戰。在平山，王熔被打得狼奔豕突，李克用趁勢進擊他的老巢鎮州。王熔無奈之下隻好投降，保住命的條件就是他要和李克用一起攻打李存孝。
李存孝既惱怒又羞愧，他覺得自己看錯了人。該年九月，他在黑夜向圍攻他的李存信大營發起進攻，並且取得了勝利。李存信向父親李克用求救。李克用親自率兵前往，把李存孝所駐紮的地方圍起來，決定要活捉李存孝。他采用的方法就是在城的四周挖溝，但總被李存孝的軍隊衝擊，所以，溝總是很難成。但李存孝的屬下卻對李存孝說：“您所畏懼的隻是晉王（李克用）。晉王待溝塹築成，一定會留兵圍城自己退去，他手下諸將都不是您的對手，築好了溝塹又有什麼用？”李存孝居然真的就認可了這句話，他不再出兵去衝擊李克用的挖溝隊伍。一個月後，溝塹築成後，深溝高壘，無法靠近，李存孝非常被動，不久，城中糧盡，士兵們無心守城了。
唐乾寧元年（894）三月，李存孝登上城樓，哭著對城下的李克用說道：“兒蒙王的大恩，位至將相，難道願意舍父子的關係而投仇敵？這是由於存信誣陷的緣故。希望能活著見王，說一句話就死。”別人把原話講給了李克用聽，李克用很是傷心。他想，是啊，這個孩子平時很乖的，並且是自己的頭馬。如今犯了這樣的錯即使沒有理由，也應該得到原諒的。
可他自己又不好出麵，就派了自己的老婆入城去跟李存孝談。不久，李克用老婆帶著李存孝來到了李克用麵前，李存孝跪在地上，承認錯誤，很是誠懇：“兒於晉有功而無過，所以至此，是存信的緣故！”
李克用見手下沒有聲音，隻好嗬斥道：“你寫給朱全忠、王熔的信，大肆毀謗我，這也是李存信逼你幹的嗎？！”
李存孝的確做過這樣的事情，所以不說話！
李克用等了半天，還是沒有等到任何人向他求情赦免李存孝。隻好將他押回太原，不久，按照軍規，將其五馬分屍之刑處死。據說，李存孝被五牛分屍時，五頭牛拉不動他。但當他聽到李克用在帳營內哭個不停時，才放開力氣，讓牛將自己拽開。
李存孝死後，李克用有十多天對武將們大打大罵。原因就是，他覺得這些人應該為李存孝求情，然後讓他有台階給李存孝。但之所以沒有人為李存孝求情，一是嫉妒他的戰功，二是，此人在武將們心中並非是道德標杆。