Cuối năm 755, Cao Tiên Chi cử thủ hạ là Phong Thường Thanh về kinh đô Trường An triều kiến Đường Huyền Tông. Cùng lúc, Tiết độ sứ Phạm Dương là An Lộc Sơn cử binh làm phản nhà Đường. Quân Lộc Sơn phần đông là người Hồ, được huấn luyện tinh nhuệ, đánh xuống phía nam, nhanh chóng chiếm được nhiều thành trì đất đai ở Hà Bắc.

Đường Huyền Tông tự mộ thêm 5 vạn người ngựa, phong Cao Tiên Chi làm Phó nguyên soái, giao cho ông số người ngựa mới mộ và sai ông ra đóng giữ Thiểm châu[9] để chống quân An Lộc Sơn, phòng bị cho kinh thành Trường An. Mặt khác, Huyền Tông nghe theo kiến nghị của Phong Thường Thanh, phong cho Thường Thanh làm Tiết độ sứ Phạm Dương thay An Lộc Sơn, đến đông đô Lạc Dương mộ binh chống lại An Lộc Sơn.

Phong Thường Thanh mang quân ra cửa Vũ Lao chặn đánh Lộc Sơn, nhưng quân mới mộ của Thường Thanh bị đánh bại phải quay về giữ Lạc Dương. An Lộc Sơn kéo đến vây đánh Lạc Dương. Quân ô hợp của Thường Thanh không địch nổi, nhanh chóng bị đánh bại. Lộc Sơn chiếm được đông đô Lạc Dương.

Phong Thường Thanh mang tàn quân chạy tới Thiểm châu hội quân với Cao Tiên Chi cùng giữ thành. An Lộc Sơn sai thuộc tướng Thôi Càn Hựu mang quân tiếp tục tiến quân đánh Thiểm châu. Hai tướng chống cự không nổi, bị quân Lộc Sơn đánh bại. Tiên Chi và Thường Thanh phải chạy về giữ Đồng Quan. Thường Thanh bị Huyền Tông cách chức Tiết độ sứ Phạm Dương vì để thua trận mất Đông đô. Cao Tiên Chi lệnh cho Thường Thanh tuần tra giám sát các trại xung quanh. Cùng lúc, Thôi Càn Hựu đóng quân tại Thiểm châu, cùng đối lũy với Cao Tiên Chi.

Đường Huyền Tông sai hoạn quan Biên Lệnh Thành ra làm Giám quân, giám sát quân Cao Tiên Chi. Biên Lệnh Thành đến nơi thường tỏ thái độ hạch sách, bắt Cao Tiên Chi thỏa mãn yêu cầu cá nhân, nhưng đều bị Tiên Chi từ chối[7].

Biên Lệnh Thành thù hận Cao Tiên Chi, trở về kinh tâu với Đường Huyền Tông rằng: Cao Tiên Chi vô cớ bỏ thành, giải tán quân và tự ý giảm khẩu phần của binh lính nên mới bị mất Thiểm châu[7].

Đường Huyền Tông không đánh giá hết thực lực của quân An Lộc Sơn và không xem xét diễn biến thực tế ngoài mặt trận[10], nghe theo lời gièm của hoạn quan Biên Lệnh Thành[11], nổi cơn tức giận, sai Biên Lệnh Thành cầm lệnh ra Đồng Quan, xuống tay giết cả Phong Thường Thanh và Cao Tiên Chi, và cử tướng Kha Thư Hàn ra trấn thủ Đồng Quan.

Ngày 18 tháng chạp (đầu năm dương lịch 756), cả Cao Tiên Chi và Phong Thường Thanh đều bị chém đầu. Không rõ năm đó Cao Tiên Chi bao nhiêu tuổi. Việc chém tướng khi đang lâm trận của Đường Huyền Tông bị xem là phạm phải điều đại kỵ không nên làm[10].