李存孝心里不安，暗中聯結梁（朱溫）和趙，向朝廷上呈表章以邢州、洺州、磁州3州歸順朝廷，并請賞給他節度使的旌旗與節鉞，及會同各道軍隊討伐李克用。
昭宗頒發詔令，任命李存孝為邢州、洺州、磁州節度使，但不同意會合軍隊的舉動，只命王镕前往救援。
3月，李克用又與任義武節度使的王處存合軍攻打王熔，3月初九，攻克滹沱河東北的天長鎮。
三月十四日，王镕在鎮州九門縣的新市與李克用、王處存展開激戰，結果這次李克用、王處存大敗，反被斬殺擒獲三萬余人。
3月17日，李克用率眾退到欒城駐扎，唐昭宗頒發詔令勸河東及鎮州、定州、幽州四鎮和解。
893年，李克用親率大軍出井陘，逼迫真定，而這時李存孝卻去見王镕商討軍機。
李克用知道后大怒，7月出兵討伐李存孝，王镕先是派兵救援邢州，被李克用在平山打敗。
七月初六，李克用進擊鎮州，王镕十分懼怕，臨陣易幟，“乞盟，進幣50萬，歸糧20萬，請出兵助討存孝”。
李克用許可王镕的請求，李克用在欒城整訓軍隊，會合王镕軍隊總共3萬人在邢州東南的任縣駐扎，李存信則在邢州龍岡縣的琉璃陂駐扎。
9月，李存孝夜犯李存信營，虜奉誠軍使孫考老，李存信軍大亂，李克用親率兵前往，掘溝塹以圍城。
李存孝出兵沖擊，晉軍無法筑成溝塹，河東牙將袁奉韜派人對李存孝道：“您所畏懼的只是晉王，晉王待溝塹筑成，定會留兵圍城自己退去，他手下諸將都不是您的對手，筑好溝塹又有什么用？”
李存孝同意，于是任由晉軍筑溝塹，溝塹筑成后，深溝高壘，無法靠近，李存孝非常被動，城中糧盡。
894年3月，李存孝登上城樓，哭著對城下的李克用道：“兒蒙王的大恩，位至將相，難道愿棄父子關系而投仇敵？這是由于存信誣陷的緣故，希望能活著見王，說句話就死。”
李克用很感傷，派劉氏入城慰諭，劉氏帶李存孝回來，他磕頭請罪道：“兒于晉有功而無過，之所以至此，是存信的緣故！”
李克用呵道：“你寫給朱全忠、王熔的信，大肆毀謗我，這也是李存信逼你干的嗎？”于是將他押回太原，以車裂處死。
其實李克用本不想殺李存孝，希望諸將為他求情，就此順勢免了他的罪，誰知諸將都妒忌他，沒一個為他求情。
李克用為此深恨諸將，但卻沒有譴責過李存信，李克用惋惜存孝，為之十多天不理政事，兵勢也逐漸轉弱，而朱溫的勢力則開始變得越來越強大。