李存孝心里不安，暗中联结梁（朱温）和赵，向朝廷上呈表章以邢州、洺州、磁州3州归顺朝廷，并请赏给他节度使的旌旗与节钺，及会同各道军队讨伐李克用。
昭宗颁发诏令，任命李存孝为邢州、洺州、磁州节度使，但不同意会合军队的举动，只命王镕前往救援。
3月，李克用又与任义武节度使的王处存合军攻打王熔，3月初九，攻克滹沱河东北的天长镇。
三月十四日，王镕在镇州九门县的新市与李克用、王处存展开激战，结果这次李克用、王处存大败，反被斩杀擒获三万余人。
3月17日，李克用率众退到栾城驻扎，唐昭宗颁发诏令劝河东及镇州、定州、幽州四镇和解。
893年，李克用亲率大军出井陉，逼迫真定，而这时李存孝却去见王镕商讨军机。
李克用知道后大怒，7月出兵讨伐李存孝，王镕先是派兵救援邢州，被李克用在平山打败。
七月初六，李克用进击镇州，王镕十分惧怕，临阵易帜，“乞盟，进币50万，归粮20万，请出兵助讨存孝”。
李克用许可王镕的请求，李克用在栾城整训军队，会合王镕军队总共3万人在邢州东南的任县驻扎，李存信则在邢州龙冈县的琉璃陂驻扎。
9月，李存孝夜犯李存信营，虏奉诚军使孙考老，李存信军大乱，李克用亲率兵前往，掘沟堑以围城。
李存孝出兵冲击，晋军无法筑成沟堑，河东牙将袁奉韬派人对李存孝道：“您所畏惧的只是晋王，晋王待沟堑筑成，定会留兵围城自己退去，他手下诸将都不是您的对手，筑好沟堑又有什么用？”
李存孝同意，于是任由晋军筑沟堑，沟堑筑成后，深沟高垒，无法靠近，李存孝非常被动，城中粮尽。
894年3月，李存孝登上城楼，哭着对城下的李克用道：“儿蒙王的大恩，位至将相，难道愿弃父子关系而投仇敌？这是由于存信诬陷的缘故，希望能活着见王，说句话就死。”
李克用很感伤，派刘氏入城慰谕，刘氏带李存孝回来，他磕头请罪道：“儿于晋有功而无过，之所以至此，是存信的缘故！”
李克用呵道：“你写给朱全忠、王熔的信，大肆毁谤我，这也是李存信逼你干的吗？”于是将他押回太原，以车裂处死。
其实李克用本不想杀李存孝，希望诸将为他求情，就此顺势免了他的罪，谁知诸将都妒忌他，没一个为他求情。
李克用为此深恨诸将，但却没有谴责过李存信，李克用惋惜存孝，为之十多天不理政事，兵势也逐渐转弱，而朱温的势力则开始变得越来越强大。