随从到朝廷继续请求，李适没有答复。颜真卿每次给儿子写信，只告诫他们严谨地敬奉祖宗，抚养孤儿，从未有其他的话。
李希烈派李元平劝说他，颜真卿斥责李元平说：“你受国家委任为官，不能报答国家，想我没有兵杀你，还来诱说我吗？”李希烈请来他的同党，设盛会，唤来颜真卿，并指使戏子们借唱戏攻击和侮辱朝廷。颜真卿愤怒地说：“您是皇帝的臣子，怎么能这样做！”起身拂衣离去。李希烈非常惭愧。当时，朱滔、王武俊、田悦、李纳等藩镇的使者都在座，对李希烈说：“很早就听说太师的名望高，品德好，您想当皇帝，太师来了，选人当宰相谁能超过太师？”颜真卿斥责说：“你们听说颜常山没有？那是我的兄长，安禄山反叛时，首先起义兵抵抗，后来即使被俘了，也不住口地骂叛贼。我将近八十岁了，官做到太师，我至死保持我的名节，怎么会屈服于你们的胁迫！”众人面尽失色。
李希烈最终将颜真卿逮捕，用甲士看守着，在庭院中挖了一丈见方的坑，传言说要活埋他，颜真卿约见李希烈说：“死生有命，何必搞那些鬼把戏！”荆南节度使张伯仪兵败时，李希烈命令把张伯仪的旌节以及被俘士兵的左耳送给颜真卿看，他痛哭扑地，气绝后又苏醒，从此不再与人说话。恰逢李希烈同伙中的周曾、康秀林想偷袭杀掉李希烈，尊颜真卿为帅，事情泄露，周曾被杀死，李希烈就把颜真卿押送到蔡州的龙兴寺。
颜真卿估计自己一定会死，于是写了给德宗的遗书、自己的墓志和祭文，指着寝室西墙下说：“这是放我尸体的地方啊！”李希烈称帝时，派使者问登帝位的仪式，颜真卿回答说：“老夫年近八十，曾掌管国家礼仪，只记得诸侯朝见皇帝的礼仪！”元人胡三省评此语“辞不迫切而义甚严正”。
后来，唐军攻势渐强，形势发生转变。李希烈派部将辛景臻、安华到颜真卿住所，在寺中堆起干柴说：“再不投降，就烧死你！”颜真卿起身跳入火中，辛景臻等人急忙拉住了他。李希烈的弟弟李希倩因与朱泚叛乱被杀，李希烈因而发怒，派宦官前往蔡州杀害颜真卿，说：“有诏书！”颜真卿拜了两拜。宦官说：“应该赐你死。”颜真卿说：“老臣没有完成使命，有罪该死，但使者是哪一天从长安来的？”宦官说：“从大梁来。”颜真卿骂道：“原来是叛贼，怎敢称诏！”随后他被叛军缢杀，终年七十六岁，嗣曹王李皋听到颜真卿死节的消息后，为他流下眼泪，三军都为之痛哭。
半年后，叛乱平定，淮西节度使陈仙奇派军将护送颜真卿的灵柩回京，颜真卿之子颜頵、颜硕至汝州襄城县迎丧，葬于京兆万年颜氏祖茔。德宗为他废朝五日，追赠司徒，谥号“文忠”，另赠钱五十万、粟二百硕。朝廷录用颜真卿的一个儿子为正员官，朝廷授颜頵为河中户曹参军，“旌忠烈之后”。