Đầu năm 819, quân Bình Lư liên tiếp thất bại ở Khảo Thành, Ngư Thai, Đông A, Dương Cố, Đông Hải,... tổn hại hơn 10.000 người; hai châu Hải, Nghi sắp mất. Sư Đạo được tin, cho phòng bị kĩ càng ở Vận châu, bắt dân chúng đi lính xây thành và phục dịch khiến nhiều người oán hận. Khi đó Đô tri binh mã sử Lưu Ngộ nắm quyền chỉ huy phần lớn quân Bình Lư đối đầu với triều đình, có hơn 10.000 người đóng ở Dương Cốc[24]. Lưu Ngộ khoan dung, nhân ái với các binh sĩ nên được họ ủng hộ gọi là Lưu phụ. Tuy nhiên khi lực lượng của Điền Hoằng Chánh vượt sông, Lưu Ngộ không có phòng bị nên bị đánh bại. Có kẻ tả hữu gièm pha với Sư Đạo rằng Lưu Ngộ không tu quân pháp mà lo lấy lòng người, sợ sau này sinh biến. Do đó Sư Đạo triệu Lưu Ngộ về Vận châu, có ý giết đi. Tuy nhiên có kẻ khác nói rằng trong tình thế như vậy mà giết tướng bên ngoài sẽ khiến quân tình hoang mang, nên Lý Sư Đạo bỏ ý định này, sau một tuần giam giữ đã thả cho Lưu Ngộ trở về và còn ban thưởng hậu hĩnh cho ông ta. Con trai Lưu Ngộ là Lưu Tòng Gián hiện làm túc vệ cho Lý Sư Đạo, thường chơi thân với bọn tùy tùng, do đó biết được ý định của Sư Đạo và thông báo cho phụ thân. Từ đó Lưu Ngộ bắt đầu có ý đề phòng Sư Đạo[2].

Lưu Ngộ trở về Dương Cốc, bắt đầu bố trí phòng bị. Lúc này Sư Đạo lại muốn giết Lưu Ngộ nữa, nên vào ngày 7 tháng 3 năm 819 đã sai hai sứ giả đến quân doanh, gặp Hành doanh binh mã phó sứ Trương Xiêm dặn ông này lấy thủ cấp của Lưu Ngộ rồi trở về phục mệnh, hứa sẽ cho thống lĩnh quân của Lưu Ngộ. Tuy nhiên Trương Xiêm vốn thân thiết với Lưu Ngộ, đã thông báo việc này cho Ngộ. Ngộ sau khi biết được tin liền cho bắt hai sứ giả rồi giết đi. Vào đêm hôm đó, Lưu Ngộ triệu tập quân sĩ đến, khóc mà nói rằng Sư Đạo muốn giết mình và nói rõ ý định bí mật đánh vào Vận châu, giết Sư Đạo rồi sau đó đầu hàng triều đình nhà Đường. Binh mã sử Triệu Thùy Cức tỏ ra do dự, Ngộ bèn sai giết đi; lại giết những ai có ý chần chừ, được hơn 30 người đều phơi thây ở trướng tiền. Bọn tướng còn lại biết nói gì nữa ngoài việc tuân mệnh.

Lập tức hành quân ngay trong đêm, không dùng đèn đuốc, đi trong tĩnh lặng, gặp người đi đường thì bắt giữ. do đó không ai biết được. Sáng sớm ngày 8 tháng 3, quân của Lưu Ngộ tiến đến trước thành Vận châu, nói rằng phụng mệnh vào thành. Bọn quân giữ thành không đồng ý cho vào, Lưu Ngộ vẫn phá cửa mà vào, quân giữ thành đầu hàng. Bấy giờ Tử Thành đã mở, còn Nha Thành vẫn cố thủ; Lưu Ngộ cho phóng hỏa rồi nhân lúc hoảng loạn phá cửa mà tiến vào. Nha binh chỉ còn hơn trăm người, không thể chống lại lực lượng Lưu Ngộ. Sư Đạo cùng hai con trốn dưới gầm giường, quân của Lưu Ngộ phát hiện ra được. Ngộ có ý để cho Sư Đạo tự tận, nên sai người đến nhắn rằng

Sư Đạo vẫn muốn gặp Lưu Ngộ, con là Hoằng Phương biết là không thể thoát chết nên nói

Sau đó ba cha con Lý Sư Đạo đều bị Lưu Ngộ cho chém đầu. Ngộ sai quân tuần tra các phố, nghiêm cấm cướp bóc, rồi triệu tập quân dân đến cầu tràng mà úy dụ, tình hình nhanh chóng yên ổn trở lại. Lại xử tử bọn đồng mưu với Sư Đạo hơn 10 nhà; sau đó giao thủ cấp ba cha con Sư Đạo cho Điền Hoằng Chánh. Xác của Sư Đạo ban đầu không ai dám lượm lấy để an táng, mãi về sau có Sĩ Anh Tú đứng ra làm việc đó. Vua Hiến Tông hạ chiếu chia Bình Lư thành ba phần: ba châu Vận, Tào, Bộc giao cho Mã Tổng; năm châu Tri, Thanh, Tề, Đăng, Lai vẫn gọi là trấn Bình Lư, giao cho Tiết Bình, 4 châu Nghi, Hải, Duyện, Mật giao cho Vương Toại. Lại bắt Ngụy phu nhân và con út của Sư Đạo làm phục dịch trong cung[25], anh em họ của Sư Đạo đều bị lưu đày[6]. Mã Tổng cho an táng Lý Sư Đạo theo lễ văn nhân. Gia tộc họ Lý cai trị đất Tề-Lỗ từ năm 766 đến 819, tổng cộng 53 năm. 12 châu Tri, Thanh được bình định, trở về với nhà Đường.