李斯左思右想觉得应该面见陛下。
他来到甘泉宫殿外，当时二世正在观看摔跤和滑稽表演，等了很久都见不到陛下，于是回到家上书揭发赵高：“我听说，臣与君同，无不危国；妾与夫同，无不危家。今有大臣擅自窃取陛下您的赏罚大权，与陛下您等同，这是非常危险的。从前司城子罕当宋国丞相，自己掌握刑罚大权，一年之后就劫持了宋国国君，篡夺了王位。田常当齐简公的臣子，爵位无以复加，钱财富可敌国，行恩施惠，下得百姓，上得群臣，阴谋篡位，杀宰予于庭，弑简公于朝，遂有齐国，此天下所共知。今赵高心怀异志，有子罕之行，田常之富，窃陛下之威信，行天子之权利。陛下您如不早作打算，臣担心他迟早会发动叛变。”
信写好之后，让内侍太监暗中转交给皇上，吩咐道：“此信关系大秦国运，请一定亲自交给皇帝陛下。”
太监把信转给二世，二世看了后召见李斯，说道：“你这是什么话？赵高原本是个宦官，但他不因安肆志，不以危易心，品行廉洁，一心向善，靠自己的努力才得到今天的地位，因忠心而被提拔，以信义而得禄位。朕确信他是一个贤才，而你却怀疑他，这是什么原因！？
加之朕年纪轻轻就失去了父亲，没什么知识，也不知如何治理天下，而你年纪又大了，我如果不把国事托付给赵高，还能用谁？
况且赵先生为人精明廉洁，尽忠职守，下知民情，上顺我心，你就不要危言耸听了。”
“并非如此。赵高原本就是贱人，无识于理，贪得无厌，求利不止，权势仅次于陛下您，但他追求权势的欲望却永远得不到满足，所以臣才说这是很危险的。”李斯据理力争。
二世有些厌烦：“行了，行了，你下去吧。”说完，打了一个哈欠。
李斯无奈，只得退了出来。
二世担心李斯会杀掉赵高，就暗中把这些话告诉了赵高。
赵高说：“丞相所忌惮的只有我赵高，我死之后，丞相就可以干田常所干的那些事了，朝中就没有人能阻止他了。”
“那就把李斯交给你这郎中令查办吧！”二世爽快说道。
赵高奉旨查办李斯，他派阎乐帅五千禁军包围了丞相府。
李斯被捕后，赵高对他奸笑道：“丞相大人，可否想到会有今天？”
李斯恨恨地看着赵高，骂道：“乱臣贼子，大秦百年基业毁在你手里。你死之后，九泉之下有何面目见先帝，先帝可是曾经对你有过救命之恩啊。”
赵高哈哈大笑：“你说这些有用吗？人死归尘土，哪有什么魂归九泉，在天之灵之类的。我赵高，不信那一套。如今你已是蒸板上的肉，任我宰割，你还是多担心下你自己吧。”
李斯被套上刑具，关在监狱中，想到曾经拥立胡亥，如今身陷囹圄，追悔莫及，仰天长叹：“哎！可悲啊！无道昏君，当初我怎么就为他出谋划策呢！我真是瞎了眼。昔日桀杀关逢龙，纣杀王子比干，吴王夫差杀伍子胥，这三个大臣，难道不忠吗！然而也免不了一死，他们尽忠而亡，只可惜忠非其人。现在我智不如他们，而二世的暴虐无道远超夏桀、商纣、夫差，看来我死是必然的了。
二世那昏君杀兄自立，残害忠良，听信小人之言，穷奢极欲，横征暴敛，重赋天下。
先帝啊，臣并不是我没劝谏，可是他不听。臣有什么办法呢？！
古之圣王饮食有节，车器有数，宫室有度，出令造事，搞的都是民心工程，故能长久治安。
二世登基以来，诛杀兄弟姐妹，不顾天谴，杀戮忠臣；不顾灾祸，横征暴掠；荼毒天下，不顾百姓死活。三者已行，百姓离心，如今反者已有天下之大半，但他心中仍无丝毫觉悟，用赵高为辅，臣一定会看到寇至咸阳，麋鹿游于朝的那一天。”
李斯被捕之后，二世派赵高审理丞相一案，对他严刑拷打，查问李斯和他儿子李由谋反的情状，将其宾客和家族全部收监。
在狱中，李斯之所以忍辱偷生，咬牙坚持活下来，一是自负能言善辩；二是对秦国有大功，三是自己确实没有反叛之心。
他希望能上书为自己辩护，同时也希望二世及时觉悟并赦免他。
于是在狱中上书道：“臣为丞相治民三十余年载，起初秦地狭隘，先王之时不过千里，兵数十万。臣尽薄材，谨奉法令，阴使谋臣反间六国，游说诸侯。同时严治军，申政教，尊功臣，盛其爵禄，故终以胁韩，弱魏，破燕、赵，夷齐、楚，吞并六国，虏其王，立秦为天子，此臣之罪一。
统一天下后，秦国的疆域并非不广阔，又北逐匈奴，南征百越，以显秦之强，此臣罪二。
尊大臣，提高他们的俸禄、爵位，以彰显大国风范，使君臣一心，此臣之罪三。
立社稷，修宗庙，以明君主之贤，此臣罪之四。
书同文，车同轨，统一度量衡，秦律颁布天下，以立秦之威名，此臣之罪五。
修驰道，建行宫，交通东西南北，促进经济繁荣，此臣之罪六。
薄赋税，轻刑罚，安天下，使皇帝得民心，受万民之拥戴，此臣罪七。
像我李斯这样的臣子，所犯罪状早足以至死，始皇怜惜我，才得以活到今天，希望陛下明察。”
奏书呈上之后，赵高让狱吏丢在一边而不上报，骂道：“囚犯安能上书！”
之后，赵高派他的门客十多人假扮成御史、谒者、侍中，轮流往复提审李斯。
李斯若以实对答，则严刑拷打。
终于李斯在供词上承认了自己的罪状，并不再改口供。
于是赵高把判决书呈给陛下，二世看了很是高兴地说道：“没有你，我几乎被丞相欺骗了。”
二世二年（公元前208）七月，李斯被判处腰斩，灭三族。
