不久，赵高指使他的私党，分成十几批，假扮成御史、谒者、侍中等官员，轮流去审讯李斯。李斯没有看穿到赵高的陰谋，便改了口，如实对答，想通过他们为自己伸冤。而赵高总是不断派人严酷地拷打他，后来，二世派人向李斯验证口供。而李斯却认为这与前几次一样，都是赵高派的人。于是，为了免遭皮肉之苦，他便承认了自己所谓的罪行。二世看到了李斯的口供，高兴地对赵高说：“要不是多亏了你，朕几乎被李斯这个奸臣出卖了！”朝廷派专使前往三川郡审问李由，但是专使到达之前，李由已经被起义军杀死。专使回京以后，正好李斯已经被定罪关入死牢，于是，赵高就随便伪造了些李由谋反的罪状，二世爽快地签上了自己的大名。
二世二年七月，朝廷判决李斯五刑罪，先是押到咸陽集市上处以腰斩。李斯与他的儿子被一同押赴刑场。在路上，李斯回头对他的次子说：“我还想再和你牵着黄狗，一同到上蔡城的东郊去追逐狡兔，这愿望恐怕是再也实现不了了！”说完，父子俩人相对哭泣。就这样，堂堂的大秦朝的开国丞相被夷灭了三族。