就这样曾经横行无忌、百战百胜的朱棣竟然在一介书生面前栽了跟头，但他绝对没想到，他还会在他的身上栽一个大跟头。建文帝得知铁铉守城有功后，加封他为兵部尚书，赞理大将军军事，与盛庸一起率领大军北上。明军与朱棣的燕军在东昌大战，结果燕军大败，死伤万余人，而且朱棣麾下第一猛将张玉战死，此战之后朱棣再也不敢取道山东一带。朱棣见无法占领山东，便采取冒险行为，径直南下，渡过淮河，结果明军被打了个措手不及，南京最终陷落，此时铁铉率兵屯在淮河流域，闻听京城失陷，军队溃散，铁铉也被逮捕。
当这个让朱棣恨之入骨的书生被带到南京后，朱棣决定亲自审问、处理。在朝堂之上，铁铉背身而立，正言不屈，朱棣想让他回过身来看看，终不可得，朱棣见他不屈服，便下令将铁铉的耳鼻割下，铁铉虽然是一介书生，但不愧是铮铮铁骨的汉子，依然不屈服于朱棣，“竟不肯顾”。朱棣恼羞成怒，命人将铁铉的被割下的耳朵、鼻子塞到铁铉的嘴里，让他吃掉，还问他：“好吃吗？”铁铉厉声回答道：“忠臣孝子肉有何不甘！”朱棣无言可对，下令将铁铉凌迟处死，铁铉骂声不绝，“至死，犹喃喃骂不绝”。朱棣非常恼火，觉得铁铉活着不能让他屈服于自己，死了一定让他屈服。
于是他吩咐左右的太监架起大油锅，将铁铉的尸体投入其中，顷刻间大殿上顿时充满了焦煳之气。朱棣让人“导其尸使朝上，转展向外，终不可得”。于是朱棣命太监用铁棒加持着铁铉的尸骨朝向自己，朱棣大声笑道：“尔今亦朝我耶！”话音未落，油锅里砰的一声一声，“油沸蹙溅起丈余，诸内侍手糜烂弃棒走，尸仍反背如故”，此时连杀人如麻的朱棣也十分惊骇，于是命人将铁铉的尸骨安葬。
铁铉死时37岁，此后他80多岁的父母被发配海南，长子铁福安被发配到河池，妻子杨氏和两个女儿被配入教坊司。不久杨氏病死，但铁铉的两个女儿始终没有受到侮辱，之后铁铉曾经的同事把这件事情报告给了朱棣，朱棣说道：“渠竟不屈耶？”于是赦免了她们，许配给了读书人家。一代忠臣铁铉虽然惨死，但后世的人们并没有忘记他，如今在山东各地，仍然有许多明清时期修建的“铁公”祠庙，济南一带更将其视为守护乡土之神。