帶領五千名騎兵迅速支援澤州，與鄧繼雲的軍隊展開激戰。最終，鄧繼雲被李存孝生擒，而他的軍隊也遭受了重大損失。

李存孝的勝利並沒有止步於此。他緊接著轉戰瀘州，那裡正聚集著葛從周和朱仲用等敵軍將領。當他們聽到李存孝的名字時，心生恐懼，竟然直接放棄戰鬥，選擇逃離戰場。這場戰爭就這樣不費一兵一卒取得了勝利，李存孝成功收復了瀘州。儘管李存孝在這次戰役中立下了赫赫戰功，但李克用卻沒有給予他應有的獎勵，而是將昭義節度使一職授予了其他將領。李存孝只得到了一個汾州刺史的職位，這令他感到十分失望和不滿。

因此開始對李克用產生不滿。儘管如此，他在之後的戰事中依然盡心盡力，但此時他與義兄李存信已經開始互相猜疑忌恨，這也成為了他們之間關係惡化的導火索。

八百九十二年，李克用向承德節度使王榮和盧龍節度使李匡威的十萬聯軍發起攻擊，並任命其義子李存信協助李存孝一同作戰。然而，由於兩人之間的矛盾，他們未能及時趕到戰場，導致李克用不得不憤怒地改派他人。李存信隨後對李克用進讒言，稱李存孝有二心。李存孝得知後心中惶恐不安，於是暗中聯絡朱溫，表示願意將邢、洺、磁三州獻給朝廷，並請求朱溫上奏朝廷讓自己擔任節度使，以對抗李克用。唐昭宗同意了李存孝的請求。當李克用得知此事後，勃然大怒。

公元八百九十三年七月，李克用決定出兵討伐李存孝。他命令李存信在邢州龍崗縣的琉璃陂駐紮，準備對李存孝發動攻擊。然而，李存孝得知了這一訊息，並在夜裡突然襲擊了李存信的軍營，導致李存信的軍隊陷入混亂之中。李克用見形勢不妙，親自率領大軍前來增援。

為了圍困李存孝，李克用下令在李存孝所鎮守的城外周圍深挖溝壑，試圖切斷他與外界的聯絡。然而，李存孝並不甘心被困，他多次派出士兵衝擊溝壑，但都未能成功。此時，曾經投靠過李存孝的袁奉韜提出了一個建議。他認為李克用即使挖好了溝壑，也很可能不會親自駐守在這裡，而是留下部下看守，自己則退回晉陽。而且，那些留下來的將領們並不足以畏懼溝壑，所以這些溝壑根本沒有什麼作用。

李存孝聽從了袁奉韜的建議，不再阻止晉軍挖掘溝壑。結果，到了後來，由於城外的溝壑阻擋，李存孝無法出城辦理事務，導致城中的軍糧逐漸斷絕。最終，李存孝不得不選擇投降。

李存孝向李克用表示，自己之所以叛變，完全是因為受到了李存信的誣陷。在李存信被清除後，他希望能夠得到應有的懲罰。只要有大臣願意為他求情，他就會順著這個臺階釋放李存孝。

然而，李存孝的卓越功勳引起了眾多人的嫉妒和怨恨，沒有人願意為他辯護或求情。最終，他被判定為叛徒，並遭受殘酷的車裂刑罰。在《殘唐五代史演義》中，鐵槍王彥章被譽為朱溫麾下的首席猛將。但當他與李存孝交鋒時，僅僅兩個回合便敗下陣來。每當他衝入敵陣時，他的威猛氣勢無人能擋，敵人只要聽到他的名字就會心生畏懼。因此，才有“將不過李”這個說法流傳開來。而關於他被施以五馬分屍之刑時，還流傳著一個有趣的故事。

只見那五匹烈馬拉著車狂奔起來，但令人震驚的是，即使在如此強大的拉力下，李存孝竟然沒有被撕裂！看到這一幕，一旁的執行人李存信還以為是馬力不夠，於是急忙換了馬匹再次嘗試。這樣來來回回五六次之後，李存孝仍然頑強地活著。儘管經歷了多次的車裂折磨，李存孝始終沒有死去。

“師姐，你看，連他都無法抵抗我，你又能拿我怎樣呢？”李存孝笑著說道，眼中滿是戲謔。

“陛下，俺知道您車裡肯定會讓我死的，咱們還是別比這些東西了吧……哈哈哈哈！”李存孝忍不住大笑起來，聲音中帶著一絲無奈和恐懼。