胡亥派赵高审讯李斯父子谋反的案件，赵高天天严刑逼供，直打得李斯皮开肉绽，体无完肤；李斯实在受不住，只得招了假供。他之所以不自杀，是因为自思有雄辩之才，又是秦王朝的有功之臣；而且，自己也简直没有谋反，说不定通过上书胡亥就会赦免他。可是李斯不知知道，进谏之路已完全为赵高一党独霸，申诉书全落入了赵妙手中。赵高将书撕个破坏：“囚犯另有资格上书！”为了堵住李斯嘴。他派自己的亲信扮成御史（监察官）、谒者（官名，为国君掌管转达）、侍中（官名，秦时设五人，往来殿内、东厢奏事），轮番提审。若李斯以实情相对，则施行拷打，直到李斯坚持假供不再改口为止。厥后胡亥真的派人来审讯他，李斯以为照旧和以前一样，就仍以假口供对之。胡亥看到口供后，以为李斯真想谋反，对赵高感恩感德：“如果不是爱卿，朕险些被丞相出卖了!”等到视察“李由通盗”的使者到三川时，李由已为项梁领导的起义军所杀。赵卓识死无对质，便又欺骗胡亥说已将其就地正法。
赵高核办李斯，李斯被捕后并套上刑具，关在牢狱中，仰天长叹道：“唉呀！可悲啊！无道的昏君，怎么能为他出谋划策呢！从前夏桀杀死关龙逢，商纣杀死王子比干，吴王夫差杀死伍子胥。这三个大臣，难道不忠吗！然而免不了一死，他们虽然尽忠而死，只可惜忠非其人。现在我的智慧赶不上这三小我私家，而二世的残暴无道凌驾了桀、纣、夫差，我因尽忠而死，也是应该的呀。况且二世治国不是胡搞么！不久前杀死了自己的兄弟而自立为天子，又杀害忠良，重用低贱的人，修建阿房宫，对天下黎民横征暴敛。并不是我不劝谏，而是他不听我的呀。通常古代圣明的帝王饮食都有一定的节制，车马器物有一定的数量，宫殿都有一定的限度，颁布命令和服务情，增加用度而倒霉于黎民的一律禁止，所以才气长治久安。现在二世对自己的兄弟，施以违反常情常理的残暴手段，不考虑会有什么灾祸，迫害、杀戮忠臣，也不考虑会有什么灾殃；鼎力大举修筑宫殿，加重对天下黎民的税收，不惜惜钱财：这三件措施实行之后，天下黎民不平从。现在造反的人已占天下人的一半了，但二世心中还未觉悟，居然任用赵高为辅佐，我一定会看到盗贼攻进咸阳，使朝廷变为麋鹿嬉游的地方。”
胡亥又下令赵高审理丞相一案，对他加以惩处，盘问李斯和儿子李由谋反的情状，将其来宾和家族全部逮捕。赵高惩治李斯，鞭打他一千多下，李斯不能忍受痛苦的折磨，冤屈地招供了。李斯之所以不自杀而死，是他自负能言善辩，又对秦国有大功，确实没有反叛之心，希望能够上书为自己辩护，希望二世能觉悟过来并赦免他。李斯于是在牢狱中上书说：“我担任丞相治理黎民，已经三十多年了。我来秦国遇上领土还很狭小。先王的时候，秦国的土地不外千里，士兵不外几十万。我用尽了自己微薄的才气，小心谨慎地执行执法，黑暗派遣谋臣，资助他们金银珠宝，让他们到各国游说，黑暗准备武装，整顿政治和教化，任用英勇善战的人为官，提高元勋的社会职位，给他们很高的爵位和俸禄，所以终于威胁韩国，削弱魏国，击败了燕国，赵国，削平了齐国、楚国，最后吞并六国，俘获了他们的国王，拥立秦王为天子。这是我的第一条罪状。秦国的领土并不是不辽阔，还要在北方驱逐胡人，貉人，在南方平定百越，以显示秦国的强大。这是我的第二条罪状。尊重大臣，提高他们的爵位，用以牢固他们同秦王的亲密关系。这是我的第三条罪状。建设社稷，修建宗庙，以显示主上的贤明。这是我的第四条罪状。更改尺度衡器上所刻的标志，统一怀抱衡和文字，颁布天下，以树立秦朝的威名。这是我的第五条罪状。修筑驰道，兴建游观之所，以显示主上志满意得。这是我的第六条罪状。减轻刑罚，淘汰税收，以满足主上赢得民众的心愿，使万民黎民都拥戴天子，至死都不忘记天子的恩义。这是我的第七条罪状。像我李斯这样作臣子的，所犯罪状足以正法，原来已经很久了，天子希望我竭尽所能，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，说：“囚犯怎能上书！”
赵高派他的门客十多人假扮成御史、谒者、侍中，轮流往复审问李斯。李斯改为以实对答时，赵高就让人再拷打他。厥后胡亥派人去验证李斯的口供，李斯以为还和以前一样，终不敢再改口供，在口供上认可了自己的罪状。赵高把判决书呈给胡亥，胡亥很兴奋地说：“没有卿家，我险些被丞相出卖了。”等胡亥派的使者到达三川视察李由时，项粱已经将他杀死。使者返回时，正当李斯已被交付狱吏看押，赵高就编造了一整套李由谋反的罪状。
最后，李斯在公元前208年，即胡亥即位的第二年，被处以死罪：先是黥面（即在脸上刺字，是秦朝的一种侮辱刑），然后劓（即割鼻子，也是秦的一种酷刑），砍断左右趾（即砍掉左右脚），又腰斩（拦腰斩断），最后是醢（即剁成肉酱），这在其时是最为残忍的一种正法方式，叫做“具五刑”，即用五种刑罚正法。李斯的一家也同时被杀。
注：李斯的历史孝敬小结：
1，废分封
把全国分为三十六郡，郡以下为县。郡县制比之分封制是一个进步，有利于国家的统一。这一整套中央集权制度，从基础上铲除了诸侯王国破裂盘据的祸根，对牢固国家统一，促进社会生长起了积极作用。所以，这一制度在秦以后的帝制社会里一直沿用了近两千年。
2，统一文字
公元前221年，秦始皇接受丞相李斯“书同文字”的建议，命令这个禁用各诸侯国留下的古文字，一律以秦篆为统一书体。统一后的中国急需一种统一的官方文字。李斯便奉秦始皇之命制作这种尺度字样，这即是小篆。
紧接着，为了推广统一的文字，李斯亲作《仓颉篇》七章，每四字为句，作为学习课本，供人临摹。不久，李斯又接纳秦代一个叫程邈的小仕宦缔造的一种书体，打破了篆书曲屈回环的形体结构，形成新的书体—隶书。中国书法四大书体真、草、隶、篆，隶、篆占其半壁山河，这全是李斯的劳绩。
3，统一怀抱衡
秦朝建设后，为了不使其影响王朝的经济交流和生长，李斯上奏天子，建议破除六国旧制，把怀抱衡从杂乱不清的状况下明确统一起来，获得了秦始皇的允许。李斯又从制度上和执法上接纳措施，以保证怀抱衡的精确实施。
4，统一钱币
破除原来秦以外通行的六国钱币，在中国规模内统一钱币。此举虽然对秦王朝的经济生长已无大用，但对后世的影响大。同时，划定钱币的铸造权归国家所有，私人不得铸币，违者治罪等。
5，修驰道车同轨
为了政令流通，物资交流便利，李斯又立刻建议让全国的车轨统一，并在全国规模内修筑驰道。就这样，一场大规模的统一车轨、修筑驰道的运动在全国展开。