：“相公你常常依靠太原，轻易与大国绝，现在张相公已包围了太原，葛司空已潞府，十来天之内，沙陀人就连都住不上了，相公你还有什么活路呢？”李存孝听这话太可气，挑选五百锐骑兵，绕着汴军军营呼喊“：我，就是寻找的沙陀人，等着用你们的来供应军队，可派长得的来作战！”汴将邓季筠，也以骁勇闻名，于是带着军队前来应战，李存孝激励下，挥舞长矛冲锋在前，一战即打败汴军，获千匹，在军中生擒邓季筠。这一夜，汴将李谠收军逃走，李存孝追击到牢山，俘斩数万，再退回攻打潞州。

当时朝廷任命京兆尹孙揆为昭义节度使，命令供奉官韩归范送旗帜节仗到平，孙揆便持节仗投奔潞州，梁太祖拨给孙揆三千牙兵供他使用。此时孙揆是张浚的副招讨，下有一万人。八月，孙揆从晋州、绛州越过刀黄岭去上党。李存孝带三百骑兵埋伏在长以西山崖之间。孙揆穿宽衣，撑着大盖，在众人簇拥下行，等他的军队前后不相连时，李存孝击横扫，擒获孙揆、韩归范以及五百俘虏，献给太原。李存孝于是急攻潞州。九月，葛从周放弃潞州城趁夜逃走，李存孝收复该城，武皇却上表推荐康君立为潞州主帅，李存孝大怒，几天不吃饭。十月，李存孝带领收复潞州的军队，在平包围张浚，在赵城扎营。华州韩建派三百名壮士夜里袭击他的营地，李存孝侦探到了，设埋伏击杀，全消灭了他们，接着军近晋州西门，俘虏敌人三千，晋州从此闭关不。李存孝率军队攻绛州。十一月，绛州刺史张行恭弃城逃走，张浚、韩建也从逃走，李存孝收复晋州、绛州，以战功被授予汾州刺史。

大顺二年(891)三月，邢州节度使安知建叛变归顺汴军，武皇命令李存孝平定邢州、氵名州，因此授予他邢氵名节度使。这时幽州李匡威与镇州王钅容屡次削弱中山，准备瓜分中山疆土。定州王存向武皇求援。武皇命令李存孝侵镇州、赵州的南边地，又命令李存信、李存审军队井陉与李存孝会合，联军攻打临城、柏乡。这时，李匡威救兵赶到临城，李存孝便打算回师。李存信与李存孝不和，便到武皇跟前陷害他，说李存孝望风而逃，无心杀敌，大概有私下结盟之事。李存孝知了，自以为有战功，郁郁不平，因而写信给王钅容通好，又与汴州结。

第二年，武皇亲自井陉，将要近真定，李存孝当面见王钅容陈述军机大事。武皇暴怒，杀掉以前俘获的汴将安康八后回师。七月，又兵讨伐李存孝，从缚关东下，攻平山，渡滹，击镇州四关城。王钅容害怕，派使者求和，并愿三万兵力协助武皇攻打李存孝，武皇同意了。武皇在栾城阅兵，李存信驻扎在琉璃陂。九月，李存孝夜里攻击李存信营地，奉诚军使孙考老被俘，李存信军队混。武皇攻邢州，用沟垒环绕该城，旋即被李存孝冲击，沟堑没有挖成。军校袁奉韬秘密派人对李存孝说“：大王等沟堑建成后便回太原，如没建成，恐怕没有回去的意思。尚书你所害怕的只有大王，料想其余各将没有超过你的。大王如果西归，虽然有黄河阻隔，也可以渡过去，况且几尺宽的沟堑，怎么能阻挡尚书您的锋芒呢！”李存孝同意了他的说法，让武皇兵士建成堑垒。过了十几天，沟垒，不能越过。因此李存孝失败，城中已尽。

乾宁元年(894)三月，李存孝登城请罪，向武皇哭诉说：“儿受大王恩典，官至将帅，如果不是谗言的小人离间，怎么会割舍父之恩，转附敌人为党？儿虽然见识偏狭，实在是李存信构陷才到这个地步，如能活着见到大王面，说上三言两语而死，也是甘心的。”武皇怜悯他，派刘太妃城劳，太妃带他见武皇，李存孝叩首请罪说：“儿立过微小的功劳，本来没有大的过错，但被人中伤，无法申明心迹，迷以至如此。”武皇斥责他说“：你写给王。。的信，列举我万条罪状，也是李存信教的吗？”于是把他缚着送回太原，在街市上车裂死，然而武皇很惜他的才能。李存孝每当临阵对敌，穿重铠带弓长矛，由仆人带两匹跟随，在战斗中换骑战，轻捷如飞，独自舞动铁木过，冲锋陷阵，万人都要避开，大概可以比作古代的张辽、甘宁。李存孝死后，武皇有十几天没心思办事，私下对各位将军埋怨了很久。