王镕、李匡威合兵10余万攻尧山，李克用任命李存信为蕃汉马步都指挥使，协同李存孝一同攻打王，李存孝、李存信二人互相猜疑忌恨，彼此逗留观望而不前进，李克用只有改派李嗣勋，大败幽州、镇州的军队，斩杀擒获3万人。李存信回李克用那里，谗言道：“存孝有二心，常避赵不击。”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。
李克用又与任义武节度使的王处存合军攻打王熔，攻克滹沱河东北的天长镇。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，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。
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，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。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。
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。
李存孝登上城楼，哭着对城下的李克用道：“儿子蒙王的大恩，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：“儿于晋国有功而无过，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他，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。