李存勖设谋诛杀灭后梁、前蜀的大功臣郭崇韬后， 惟恐战功卓著、深孚众望的郭大帅无罪被杀死，有人会乘机起事，就派最信任的优伶、宦官们四处探查，稍有言行反常者，或平日得罪过伶人、宦官，立刻就被诬蔑为郭氏一党，轻则锒铛入狱，重则满门抄斩。一时间，朝野上下，人心惶惶，噤若寒蝉。
同光三年（925）二月初，贝州（今河北清河）发生兵变，哗变军人以指挥使赵在礼为首占据邺城（即魏州，今天的河北大名），抗拒官军进剿。几乎与此同时，曾随郭崇韬伐蜀并充任先锋的马步军都指挥使李绍琛也举兵反叛，他自称西川节度使，与皇子、魏王李继岌率领的伐蜀大军对抗，使后唐灭蜀大军受其牵制仍滞留西川，不能班师北返。
对于贝州军队哗变，李存勖只好派人招抚，但未能奏效。李存勖得到消息后，大为震怒，结果派出多路人马前去进剿，皆被反叛的魏博军击败，在此不利情况下，众大臣极力举荐悍将李嗣源率军赴魏州镇压叛军。彼时，李嗣源正遭存勖猜忌，但兵败无奈之下，存勖只好请出嗣源前去平定魏博叛军。
让李存勖万万没想到的是，奉命前去平叛的将士们却想要拥戴李嗣源做皇帝，他们对李嗣源说：
“请今上（指后唐庄宗李存勖）当河南皇帝，令公 （李嗣源被尊称为李令公）当河北皇帝”。《五代史》
李嗣源听乱兵这么一说，不由得虎躯一震：这可是杀身灭族的重罪啊！李嗣源不从，乱兵们不由分说，就簇拥、裹挟着他驰往魏州。李嗣源身经百战，也是后唐开国功臣，在军中有一定声望，许多对猜忌戾狠、滥杀无辜的李存勖心存不满的将领们都愿意拥戴李嗣源为主公；李嗣源见状，担心妻小的安全，就对大伙说要回洛阳去谒见皇帝，把事变的原委向庄宗交代清楚。
李嗣源是李克用的养子，和李存勖也算兄弟，彼此知根知底，此事万一有失，定会带来塌天大祸。见李嗣源犹豫不决，左右为难，女婿石敬瑭给老泰山打气说：
“欲成大事，怎能犹豫不决，况且我们现在已无退路”。《新五代史》
李嗣源问女婿下一步该怎么办，石敬瑭献策说：
“汴梁（开封）扼中原咽喉，只要我们进占汴梁，若事不成还可退守保定”。
李嗣源点头称是，遂下决心反他娘的，命石敬瑭率军偷袭汴梁。
李嗣源在女婿以及部将们的鼓动下扯旗造反，旋即挥师南下。李存勖闻讯大惊失色，一面派人疾驰入川，急召李继岌率伐蜀大军北上平叛 ，一面下诏调集诸道藩将速速率部入援。
李嗣源
2月20日，李嗣源亲率魏博大军渡河南下，滑州（今河南滑县）守将不战而降。李存勖统军离开洛阳北上，亲征举兵反叛的李嗣源。大军临出发前，存勖取内库钱帛赏赐将士，王公大臣、优伶宦官也捐献出大批金银绢帛，以助军饷。史载，仅戏子景进一人就献出“助军钱”30万贯。后唐军士们得到赏赐后，不仅不感恩，反而破口大骂道：
“我等妻子儿女已饿殍而死，还要这些钱物作甚”？
26日，李存勖率军进至荥泽（今郑州广武古荥镇）时，李嗣源、石敬瑭已经挥军攻克汴州。李存勖遣龙骧指挥使姚彦温率3000骑兵前去攻夺。谁知姚彦温至汴州后马上率军投降了李嗣源，另一位负责押送粮草的指挥使潘环则干脆把粮饷辎重都运入汴梁城，拱手送给了叛军。
李存勖率军勉强进至万胜镇，因沿途将士不断逃散，诸军叛逃溃散者已多达万余。李存勖为稳住军心，特地对将士们说：
“魏王（李继岌）又送来西川金银五十万 ，到京城后都赏赐给诸君”。《五代史》
孰料将士们并不领情，纷纷嘶吼道：
“陛下赏赐已晚，虽有重赏，人亦不感圣恩”。
李存勖听后感到绝望，涕泗横流，悲不自胜。次日，行到洛阳城东面的石桥，李存勖设酒宴招待诸将，他悲戚地对部下们说：
“诸卿随我数十年，患难与共，荣华同享，如今事已至此，难道各位都没有退敌良策”？
部将百余人听后纷纷拔刃割下头发，向李存勖赌咒发誓要“以死报国”。但却无一人拿出破敌之策，君臣相顾无言，只会呜咽流涕。
当晚李存勖率军入城，李嗣源闻讯马上督军尾随，一举攻占了汜水关。不久，洛阳城中哗变的士兵越来越多，大臣与将领们纷纷相率逃走 ，李存勖见众叛亲离，虽然惶恐，但亦束手无策。
后唐同光四年（926）三月，李嗣源、石敬瑭统兵进逼洛阳，宰相豆卢革劝李存勖说：“陛下不必惊慌，魏王殿下率西征军不日就能回师，胜负未分之际，还请陛下据守汜水，不能让叛军过来”。李存勖采纳其策，决定做最后一搏，调集他所能调动的所有残余力量和李嗣源展开决战。
彼时李存勖已经兵临汜水 ，列阵于城外，等待决战时刻。从马指挥使郭从谦在成门楼上看到李嗣源兵强马壮，来势汹汹，知道洛阳难以守住，李存勖必败，就暗中煽动守军说：
“皇帝不信任我们，早晚要把我们坑杀。现今李令公大军西进，不日就要攻城，愿意跟我得大富贵的就去杀掉昏君” 。
将士们本就对棒杀郭崇韬并滥杀无辜的李存勖极度不满，遂纷纷响应，开始在城内造反，他们纵火焚烧兴教门 ，趁火势冲入宫内。
当时李存勖正在后殿用膳，乱兵突然破城而入，冲杀进来，李存勖率卫士仓猝抵抗，在混战中被叛军用箭射伤倒地。此时他身旁既无大臣，卫士死伤逃散殆尽，训鹰人善友冒险扶他逃进绛霄殿拔下箭矢，谁知伤势过重，失血过多，没过一会儿这位戎马一生、灭后梁平前蜀的一代霸主便一命呜呼了，死时刚43岁。
这位叱咤风云的一代枭雄李存勖恐怕怎么也想不到，他曾背着他爹李克用留下的3支箭东讨西伐，四方征战，结果自己最终却死在乱箭之下。
李嗣源率军入城后即帝位，是为后唐明宗，他厚葬李存勖于新安县之雍陵。谥号“光圣神闵孝皇帝”，庙号“庄宗”。
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