Đúng như dự tính của Cao Diên Tông, Cao Vĩ đã bỏ Nghiệp thành và chạy về phía nam, song cuối cùng vẫn bị quân Bắc Chu bắt được và giải đến chỗ Vũ Đế. Bắc Chu thôn tính Bắc Tề và đưa Cao Vĩ cùng các thành viên hoàng tộc họ Cao trước đây, bao gồm cả Cao Diên Tông, quay trở về kinh thành Trường An. Vũ Đế phong cho Cao Vĩ làm Ôn công và đã trao tặng cho hơn 30 thân vương của họ Cao các tước hiệu cao quý, song không có ghi chép về tước hiệu của Cao Diên Tông. Khi Vũ Đế mời họ trong một bữa tiệc và lệnh cho Cao Vĩ nhảy, Cao Diên Tông đã rất buồn đến nỗi ông muốn tự vẫn bằng thuốc độc, song các nô bộc đã ngăn ông lại.

Vào mùa đông năm 577, do lo sợ mối nguy đến từ họ Cao, Vũ Đế đã cho thảm sát họ. Vũ Đế vu cáo Cao Vĩ âm mưu cùng Mục Đề Bà nổi dậy, và lệnh cho Cao Vĩ cùng các thành viên khác của họ Cao phải tự sát. Nhiều thành viên của họ Cao đã gào thét và kêu mình vô tội, cầu xin được tha, song Cao Diên Tông đã cuộn ống tay áo lại và khóc, không nói điều gì. Những người hành hình đã cho thuốc độc vào miệng để giết chết ông. Năm 578, Lý phi làm lễ khâm liệm và chôn cất ông.