Mùa xuân năm 784, Đức Tông dự định sai sứ sai cầu viện Thổ Phiên. Tướng Thổ Phiên Thượng Kết Tán nói theo luật pháp nước Phiên thì khi điều quân cứu viện nước khác phải có hiệp ước rõ ràng và yêu cầu phải cắt đất cùng một số điều khoản khác. Lý Hoài Quang không đồng tình với việc này vì cho rằng quân Thổ Phiên mà tiến sang thì sẽ cướp bóc khắp nơi và bắt bớ dân lành. Đại thần Lục Chí lo sợ rằng Lý Hoài Quang sẽ làm phản và tấn công vào lực lượng của Lý Thịnh, vì thế đề nghị tách quân của ông ra khỏi các cánh quân khác, không hành quân chung nữa. Đức Tông hạ lệnh cho Lý Thịnh kéo quân theo hướng khác, nhưng vẫn giữ lộ trình cũ của Lý Kiến Huy và Dương Huệ Nguyên vì sợ Hoài Quang sẽ oán giận[26]. Tháng 2 ÂL, có chiếu gia phong Thái úy, ban thiết khoán, sai Lý Thăng và Đặng Minh Hạc đến thủ dụ. Hoài Quang giận nói:Phàm khi một người nào đó sắp nổi loạn thì ban cho thiết khoán. Nay ban cho Hoài Quang, thì dù ta không có ý phản, cũng bị buộc phải làm phản rồi.

Sự thực thì Lý Hoài Quang đã bí mật câu kết với Chu Thử từ lâu. Chu Thử tìm cách dụ Hoài Quang theo phe mình, hẹn ước sẽ chia nhau vùng Quan Trung để cùng xưng đế, kết làm anh em. Trong khi đó Lý Thịnh cũng cho rằng Hoài Quang sẽ nổi dậy và đề xuất phòng bị ở vùng Hán Trung và Thục. Đức Tông do dự và muốn đến Hàm Dương úy lạo quân sĩ của Lý Hoài Quang. Hoài Quang lo sợ rằng nhà vua có ý đề phòng mình nên càng quyết tạo phản. Đến đây khi có chiếu thư này thì dã tâm tạo phản của ông càng mạnh.

Lý Thăng trở về Phụng Thiên báo việc cho Đức Tông. Triều đình lo sợ, tính tới chuyện bỏ Phụng Thiên nếu như Hoài Quang làm phản. Ít lâu sau, Lý Hoài Quang bất ngờ dẫn quân tấn công Lý Kiến Huy và Dương Huệ Nguyên. Kiến Huy trốn được và Huệ Nguyện bị tử trận[26]. Sau đó ông sai người nhắn với nhà vua

Ngày 21 tháng 3 năm đó, do lo sợ sự tấn công của Hoài Quang, Đường Đức Tông bỏ trốn khỏi Phụng Thiên, chạy đến Lương châu. Lý Hoài Quang cử các tướng Mạnh Bảo, Huệ Tĩnh Thọ và Tôn Thúc Đạt đuổi theo hòng bắt được Đức Tông; nhưng ba tướng này vẫn còn trung thần với triều đình nên cố ý để nhà vua chạy thoát. Trong khi đó Lý Thịnh viết thư cho ông đề nghị quay về với triều đình. Hoài Quang không nghe, nhưng cũng từ sau sự kiện này, ông tỏ ra lo sợ rằng tướng sĩ dưới quyền có thể bất bình với hành động của mình mà nổi dậy chống lại. Sự thực là đã có bộ tướng Hàn Du Côi, Mạnh Thiệp, Đoàn Uy Dũng bỏ ông về với triều đình, và ông không ngăn cấm được. Do vậy khiến lực lượng của ông suy yếu. Chu Thử thấy thế liền nuốt lời hứa khi trước, chỉ đối xử với Hoài Quang như bầy tôi. Thuộc tướng của ông là Lý Cảnh Lược khuyên ông quay lại tấn công Chu Thử rồi hàng triều đình, nhưng Hoài Quang nghe lời của Diêm Yến, quyết định phân quân cướp bóc ở Kính Dương, Tam Nguyên, Phú Bình rồi từ Đồng châu đưa quân đến đóng ở Hà Trung[26].

Đức Tông vẫn nhớ ơn cứu giá của Lý Hoài Quang, chưa nỡ đoạn tuyệt hẳn. Nhà vua hạ chiếu kể tội ông, nhưng vẫn hứa sẽ dùng làm Thái tử thái bảo nếu ông chịu đầu hàng, Hoài Quang không nghe. Tháng 5 năm đó, quân đội của ông tiến đến Hà Trung.

Mùa thu năm 784, Lý Thịnh khôi phục kinh sư. Ngày 3 tháng 8 năm 784, Đường Đức Tông được đưa trở về Trường An sau gần một năm trốn chạy[27]. Theo lời khuyên của một bộ tướng dưới quyền, Lý Hoài Quang quyết định gửi con là Lý Vị thay mặt mình đến Trường An yết kiến và tạ tội với nhà Đường. Đức Tông bằng lòng, sai trung sứ Khổng Sào Phụ, Đạm Thủ Doanh đến Hà Trung nhận hàng. Khi Khổng Sào Phụ đến, Lý Hoài Quang mặc đồ dân thường ra tiếp để tỏ sự hối hận, nhưng Sào Phụ đòi ông phải mặc lại chiến giáp như mọi khi. Sau đó Sào Phụ hỏi quân sĩ rằng: Trong quân của thái úy thì ai có thể thống lĩnh quân đội được. Bọn sĩ tốt giận, bèn giết hai sứ giả của triều đình mà không đợi lệnh của Hoài Quang, khiến cho ông buộc phải công khai chống lại triều đình lần nữa. Vua Đức Tông sai Hồn Giám làm Hà Trung tiết độ phó nguyên soái, cùng Lại Nguyên Quang đem quân đánh Hà Trung. Hồn Giám ban đầu phá được Đồng châu, nhưng bị tướng dưới quyền của ông là Từ Nguyên Quang chặn đứng tại Trường Xuân cung (Vị Nam hiện nay), không thể tiến lên thêm.

Giữa lúc đó, Tiết độ sứ Hà Đông[4] là Mã Toại được phong là phó nguyên soái, cùng Hồn Giám, Lạc Nguyên Quang, Đường Triều Thần... hội binh cùng tấn công, công hạ Giáng châu và một số vùng đất ở phía tây bắc Hà Trung, khiến lãnh thổ của Lý Hoài Quang bị thu hẹp hơn nữa[27].

Mùa xuân năm 785, khi phát hiện tướng dưới quyền là Lữ Minh Nhạc có bí mật giao thông với Mã Toại, Lý Hoài Quang tức giận sai giết đi, đồng thời tiến hành quản thúc các tướng Cao Dĩnh và Lý Dong. Lúc này thì liên quân của Hồn Giám và Mã Toại đã bao vây được Trường Xuân cung; các tướng cũ ở Sóc Phương nhiều người mưu tính chống lại Hoài Quang; cùng với nhiều quân sĩ vốn nguyên quán ở Sóc Phương vẫn bất bằng với việc phải chuyển đến Hà Trung mà không được trở về quê. Lý Hoài Quang buộc phải hứa với quân sĩ rằng mình sẽ quy phục và cống nộp cho vương sư, để trấn an họ; nhưng trong một tháng không có hành động gì. Do lúc bấy giờ kinh sư vừa mới khôi phục, lòng người chưa yên, việc chuyển lương và mộ quân gặp một số bất lợi, vì thế triều đình nhiều người đề nghị xá miễn cho Lý Hoài Quang, nhưng Lý Thịnh không bằng lòng và đưa ra năm lý do để thuyết phục nhà vua không nên xá miễn, nhà vua nghe theo[27].

Mùa thu năm 785, do sự thuyết phục của Mã Toại, tướng giữ Trường Xuân cung đã đầu hàng triều đình, khiến cho con đường tiến vào Hà Trung của triều đình được mở rộng hơn. Cả Hà Trung hỗn loạn. Lý Hoài Quang tuyệt vọng, thắt cổ tự sát. Tướng dưới quyền ông là Ngưu Danh Tuấn cắt đầu của ông về nộp cho Mã Toại, Lý Vị cũng giết hết anh em của mình rồi tự sát, do đó con cháu của Hoài Quang không còn ai sống sót. Khi đó Lý Hoài Quang được 57 tuổi[3]. Hoàng thượng được tin, rất thương xót, bèn ghép thủ cấp và thân thể của ông và cho an táng trọng thể[28]. Lại vì con cháu Hoài Quang đã chết hết, chỉ còn phu nhân Vương thị, nên nhà vua sai cấp dưỡng cho Vương thị, cho xây trang viên ở Lễ châu để phu nhân thờ cúng ông. Năm 789, có lệnh cho cháu của Lý Hoài Quang, con trai Yến Bát Bát em gái ông được mang họ Lý, ban tên là Thừa Tự để làm hậu tự cho ông, phong chức Tả Vệ suất phủ trụ tào tham quân[29].