李密得知宇文化及粮食快要耗尽，就诈称跟他联合，以便使他的士气松懈，宇文化及不知是计，非常高兴，任凭其士兵无拘无束地吃喝，指望李密送来粮食。后来知道是个计策，宇文化及大怒，跟李密在卫州的童山脚下展开激战，从早晨战到傍晚，李密被乱箭射伤，到汲县休息。宇文化及精疲力尽粮草断绝，士卒多半叛逃，攻了一下汲县之后，迅速向北转移到了魏县。他的部将陈智略、张童仁先后带领自己的队伍归顺了李密。原先，宇文化及在东郡留下了一些军需物资，派遣他设置的刑部尚书王轨看守，到这时王轨献出东郡投降了李密。
正当李密和宇文化及竭力拼杀之时，王世充趁机灭掉了异己，独揽洛阳隋廷朝政，李密得知王世充专权，拒绝入朝朝见，回到了瓦岗军的根据地金墉城。王世充趁李密战后疲惫之机发动进攻，率精兵两万、战骑两千，威逼偃师，在通济渠南岸安营扎寨，在洛水上架设浮桥，准备决战。此时的李密骄傲自满，不再体恤将士，府库中没有什么积蓄，甚至打了胜仗李密都不把战利品分给将士们，使得瓦岗军将领离心离德。贾闰甫、徐世勣等人数度相劝，遭到李密的疏远，李密反而对贪财的邴元真言听计从。
王世充乘势袭击瓦岗军，败瓦岗军数员骁将，李密得知后命王伯当据守金墉城，邴元真守洛口仓城，亲率精兵到偃师迎战，裴仁基建议李密偷袭东都，但李密不听。王世充强渡洛河，双方大战于邙山脚下，王世充大破李密。瓦岗军的裴仁基、祖君彦、程知节等被王世充所擒，邴元真、单雄信等人久不满李密，相继投降王世充。
瓦岗军遭到重创，李密东逃武牢关，王伯当退守河阳，李密对王伯当说：“军队打败了，长时间地劳苦了你们大家，我现在自杀，向大家谢罪。”大伙都哭泣，不能抬头仰视。李密又说：“荣幸的是诸君不肯抛弃我，当一起回关中，我虽惭愧无功，诸君一定能保全富贵。”他的府掾柳燮回答说：“从前刘盆子归附汉朝后，还能享受租赋，明公您与长安的同宗有交情，虽不曾伴随起义，然而阻击东都，截断隋军归路，使唐朝不战而据有京都，这也是您的功劳啊。”大家都说：“是的。”于是，李密西逃长安，投奔李渊，当年瓦岗军的战将秦叔宝、徐世勣、罗士信、程咬金等也都先后降唐。
李密归唐，李渊大喜，拜李密为光禄卿，封邢国公，还将表妹独孤氏嫁给了李密，称呼李密为弟，但李密不甘居于人下，对自己的处境非常不满。李渊派李密去黎阳安抚昔日的部众，左武卫将军王伯当随同前往，李密率部东行至稠桑驿的时候，李渊突然反悔将其召回，李密大为恐惧，决定叛乱。王伯当试图劝阻，但李密不听，李密率部袭破邻近的桃林县，掠夺畜产向南进入熊耳山，前往襄城投奔旧将张善相。
李密的所作所为被熊州副将盛彦师得知，盛彦师率兵埋伏在的陆浑县南邢公岘，李密率部经过，被盛彦师全部杀死，时年三十七，传首长安。李渊派人将李密首级送往黎阳招抚其余部，徐世勣献黎阳投降，请求收葬李密的尸首，得到李渊的允许，随后徐世勣将李密葬于黎阳山西南五里处，坟高七仞。