建中四年(783年)，叛乱的淮西节度使李希烈攻陷汝州。卢杞建议派颜真卿前往李希烈军中，传达朝廷旨意，唐德宗李适同意。朝臣为此大惊失色，宰相李勉秘密上奏，“以为失一国老，贻朝廷羞”，坚决要求留下他。河南尹郑叔则也劝他不要去，颜真卿回答说：“圣旨能逃避吗?”

　　颜真卿到后，李希烈想给他一个下马威。在见面时，李希烈让自己的部将和养子一千多人都聚集在厅堂内外。颜真卿刚开始宣读圣旨，那些人就冲上来，手里拿着明晃晃的尖刀，围住他又是谩骂，又是威胁。颜真卿面不改色，李希烈才用身子护着他，命众将退下，让颜真卿住进驿馆。李希烈逼他写信给朝廷，来洗刷自己的罪行，颜真卿不听，李希烈就借他的名义派他的侄子颜岘与几个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(一作七十七岁)，时为兴元元年八月初三(784年8月23日)。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。同年，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。

　　贞元六年(790年)十一月，朝廷录用颜真卿的一个儿子为正员官。次年(791年)二月，朝廷授颜頵为河中户曹参军，“旌忠烈之后”。

　　绍兴三年(1133年)，宋高宗赵构御赐颜真卿庙额为“忠烈”，尊其为神。