等待时机成熟，赵高乘机说“当初沙丘密谋，李斯的角色举足轻重。如今陛下已即位皇帝，宰相仍是宰相，他的意欲已经显而易见，要陛下割土地，封他当王。陛下不问我，我有话也不敢说，既然问我，我亦不敢隐瞒。宰相大儿子李由，是三川郡郡长，故楚王国领土上的那群盗匪，像陈胜之流，都是宰相邻县的子弟，双方有浓厚的乡情。所以盗匪们在故楚王国领土上，公然横行，经过三川城下，李由都不攻击。我听说李由跟盗匪之间，书信来往频繁，因为没有得到实质证据，所以不敢向皇上报告。尤其是，宰相主持政府，权势比陛下还大，我也不敢冒犯。”
嬴胡亥怒火中烧，要对付李斯，但怕不了解实情，于是派人去洛阳调查李由跟盗匪勾结情形。李斯得知情报，才明白他已陷于险境，于是上奏挞伐赵高说“赵高无论惩罚或奖励，大权跟陛下没有分别。从前田恒当齐国国君简公姜壬的宰相，偷窃国君的恩德和权势，对下收买人心，对上收买群臣，最后终于杀掉姜壬，夺取齐国，这是家喻户晓的史迹。如今赵高心狠手辣，行为奸险，个人财富远超过田恒，仍贪得无厌，不停的追求利禄，在皇宫用事，权力仅次于君王。劫持陛下的威信，犹如韩玘当韩王韩安的宰相。陛下如果不励精图治，恐怕不日事变。”
嬴胡亥说“什么话？赵高不过区区一个宦官，从不因为安适而放纵，也不因为危险而变心。洁身自爱，谨慎忠诚，是靠他自己的努力，才可以升迁到今时今日的地位。以忠贞作为进身之阶，用信誉保持官职，实在是一位贤才，而你却怀疑他，为什么？我如果不信任赵高，教我信任谁？告诉你，赵先生精明廉洁，干练而有魄力，对下深切了解民情，对上合乎我的心意，你不可说他的坏话。”
嬴胡亥宠爱赵高，已经鬼迷心窍，恐怕李斯把他杀掉，就把李斯上奏的话，完封不动告诉赵高。
赵高说“宰相所害怕的，只剩下我，我一死，他就是他口中所说的田恒。”
这时，天下大乱已成，地方政府纷纷解体。关中军队昼夜不停向东出发，进剿盗匪。秦军兵败如山倒，为了挽回大局，右宰相冯去疾、左宰相李斯、将军冯劫，联合上奏章说“关东盗匪群起，连连派军征剿，杀戮很多，而盗匪更多。祸源来自战士戍边和苛捐杂税，以及水陆运输、诸般苦役。请求暂时停止阿房宫工程，削减边防军轮调次数。”
嬴胡亥青筋暴现，搓手顿足，大怒说“掌握政权的好处，在于随心所欲，无拘无束。领袖有权，部下有责，没有人敢为非作歹。四海之内，均臣服于我。从前，姚重华、姒文命，虽然当了尊贵的君王，却关切穷苦，处处为人民着想，怎么可以效法？先帝在国王位置上兴起，统一世界，如今天下升平，镇压四周蛮族，为的是安定边境。兴筑宫殿，不过表示心情得意，你们都看到先帝功绩。我自从即位，两年之间，盗匪四起，你们不能扑灭，反而要求取消先帝国策，对上不能报答先帝，对下更不尽忠于我。要你们坐在尊贵的位置上干什么？”
下令逮捕，随便找一个罪名处刑。冯去疾、冯劫自杀。李斯不愿自杀，独自向监狱报到。嬴胡亥命赵高担任判官，宣称李斯、李由涉嫌叛乱，同时逮捕他们的亲属和朋友门客。
赵高审判李斯，仅苦刑拷打，就多达一千余次，李斯不堪严刑迫供，只好承认罪状。李斯愿意自认谋反，不愿自杀的原因，是自认为对国家立过大功，又有辩才，而且事实上他并没有谋反，相信终可以洗刷清白，沈冤得雪。
等逃过苦刑，再给嬴胡亥上奏章，希望嬴胡亥醒悟赦免。因此在狱中上书说“自从上任宰相以来，治理人民，已三十余年。最初秦王国疆域狭小，土地不过一千里，战士不过数十万人。我竭尽能力，鞠躬尽瘁，秘密派遣大批间谍，携带黄金白玉，到各国游说，而我们暗中加强军力，整顿思想教育，擢升战士勇将，尊崇对国有功人士。威胁韩王国，削弱魏王国，逐一击破燕赵，消灭齐楚，终于兼并六国，生擒他们的国王，拥护先帝即位天子。之后，北方驱逐胡人、貉人，南方戡定百越部落，展示秦王朝强大。更建议统一度量衡、文字，推行普及全国，树立秦王朝的威望。这都是我的罪行，早就应该死。幸蒙皇上准许我继续效力，命才延长到今天，请求陛下垂念！”
奏章呈递上去，先到赵高之手，赵高顺手便把它扔到垃圾堆里，冷笑说“囚犯有什么资格上奏折！”
然而，这也使他提高警觉，决心堵塞最后一个漏洞。于是派遣他部下十余位门客，冒充御史、谒者、侍从等，宣称奉皇上命令，复查李斯案情。李斯以为他的奏章生效，据实回答：绝对没有谋反。假的大臣回报后，赵高责备李斯不肯合作，再加苦刑拷打。若干次之后，李斯畏惧皮肉痛苦，再有人来询问时，只好继续自诬。
后来，有一天，嬴胡亥果然派遗亲信前来复查，李斯无法辨识真假，不敢轻易更改口供。嬴胡亥得到回报，感谢老天爷说“要不是赵高，几乎要被李斯出卖。”
嬴胡亥派往三川调查的钦差大臣，到三川时，三川郡郡长李由，已被楚国大军格杀。钦差大臣回到首都咸阳，正逢李斯被捕下狱。钦差大臣证明李由并没有谋反，但赵高向嬴胡亥报告，却恰恰相反，说钦差大臣已证明李由确实谋反。
于是李斯被认定罪大恶极，罪无可恕，判处五刑，先在脸上刺字，削鼻，砍下双脚脚趾，用鞭活活抽死，再斩首，剁成肉酱，在咸阳大街上腰斩。李斯被押出监狱，绑赴刑场途中，第二个儿子也一同处决，他转头对儿子说“我们牵着黄犬，同出上蔡东门，追逐狡兔，恐怕再也不能了。”