Các tướng nhà Đường là Lý Thịnh và Hồn Giam chuẩn bị chiếm lại Trường An. Ngày 12 tháng 5, quân Đường từ Phụng Thiên tiến về Trường An, các vùng quanh kinh đô lần lượt bị quân Đường chiếm lại. Ngày 18 tháng 5, quân Đường tiến sát Trường An, đánh bại quân của các tướng Lý Hi Thiến, Trương Đình Chi, Hàn Mân. Trương Quang Thịnh vốn đã có ý hàng nhà Đường, bèn đề nghị Chu Thử bỏ Trường An chạy đến chỗ khác. Ngày 20 tháng 5, Chu Thử cùng Diêu Lệnh Ngôn, Nguyên Hưu, Chu Bình, Chu Toại chạy về phía tây, không lâu sau quân Đường kéo đến, Trương Quang Thịnh mở cửa thành đầu hàng.

Chu Thử dự định trốn sang đất Thổ Phiên châu, trên đường chạy nhiều người dưới quyền bỏ trốn, lực lượng ngày càng tan rã. Khi đi ngang qua Kính châu[25], ông định nương nhờ tướng cũ của mình là Tiết độ sứ Kinh Nguyên Điền Hi Giám nhưng Hi Giám trở mặt không nhận và muốn chống lại. Chu Thử bảo Hi Giám

Rồi sai người bảo Hi Giám

Hi Giám không theo. Thử bèn xua quân tấn công thành. Nhưng chỉ có chưa đầy một trăm quân thì làm sao chống lại được, cuối cùng Chu Thử thua trận, phải chạy tiếp. Quân sĩ Kinh Nguyên giết Diêu Lệnh Ngôn rồi Điền Hi Giám. Lúc đó chỉ còn một số ít tàn binh của Lư Long đi theo Chu Thử. Chu Thử lại chạy sang Ninh châu[26]. Thứ sử Hạ Hầu Anh sai quân dàn trận trước thành, Chu Thử lại phải bỏ sang chỗ khác. Khi đến Bành Nguyên[27], các tướng bàn nhau phản Chu Thử. Đầu tiên Lương Đình Phân và Chu Duy Hiếu dùng cung tên bắn ông khiến ông ngã xuống một cái hố. Nhân đó, bọn Hàn Mân, Tiết Luân, Cao U Nham, Chu Tiến Khanh, Đổng Hi Chi... cùng xông đến chém nhiều nhát vào người ông. Chu Thử chết rồi, Hàn Mân chặt đầu ông rồi đầu hàng nhà Đường. Tháng 8 năm đó, Đường Đức Tông về kinh.[28].

Chu Thử làm phản chỉ hơn nửa năm thì bị giết, cải quốc hiệu hai lần, cải nguyên hai lần, thọ 42 tuổi.