Lưu An mời tướng quân Ngũ Bị tới hợp mưu với mình nhưng Ngũ Bị không nghe. Lưu An tức giận, bắt cha mẹ Bị giam vào ngục ba tháng, rồi lại triệu Bị, ép theo mình. Ngũ Bị cũng không nghe và khuyên ông thôi ý định tạo phản, sau đó bỏ đi.

Con trưởng của Lưu An là Lưu Bất Hại, do thứ phi sinh ra nên không được lập làm thái tử. Vương hậu, thái tử và cả Lưu An đều không coi Bất Hại là người trong nhà, cũng không phong cho Bất Hại tước hầu[4]. Con Bất Hại là Lưu Kiến giận vì cha mình không được phong hầu, nên mưu tính diệt trừ thái tử mà thay thế. Thái tử biết việc, tính chuyện điều tra để đối phó Lưu Kiến. Lưu Kiến bèn quyết định dâng thư lên nhà Hán trình bày nỗi oan của mình và tố cáo việc mưu phản của Lưu An. Trong lúc đó, cháu của Tịch Dương hầu Thẩm Tự Cơ là Thẩm Khanh có tư oán với Lưu Trường[5], nên liên kết với Thương công Công Tôn Hoằng vu tội cho Hoài Nam vương. Trong lúc đó, sứ giả triều Hán đã tới thẩm xét thái tử Hoài Nam. Lưu An lo lắng, muốn phát binh lần nữa, lại hỏi Ngũ Bị. Bị cho rằng nhà Hán đang thịnh trị, không thể làm phản được, sợ sẽ giống như Ngô vương Tị khi xưa, nhưng sau đó lại khuyên ông nên tìm cách giết tướng quốc Hoài Nam để tránh cho nhà Hán biết chuyện này. Lưu An định cho người đốt cung điện, tướng quốc và các đại thần nước Hoài Nam tới cứu hỏa, ông nhân đó giết đi, sau đó chuẩn bị phát binh lên thu phục Hành Sơn, Lư Giang trước, đồng thời sai người giả cách lan truyền trong nhân gian rằng quân Nam Việt sắp tiến đánh.

Cùng lúc đó Hán Vũ Đế phái Đình úy Giám Nhân làm Hoài Nam trung úy, đến Hoài Nam. Trong lúc Lưu An đang tích cực chuẩn bị thì có người đến tố cáo ông với triều đình. Quân Hán bèn kéo sang, bắt thái tử Thiên và Vương hậu, vây vương cung. Trong triều, Triệu vương Bành Tổ và Liệt hầu hơn 40 người xin giết chết Lưu An. Lưu An hoảng sợ, tự sát, thái tử Thiên và Vương hậu bị giết. Ngũ Bị cũng bị Vũ Đế giết hại sau đó.[6] Nước Hoài Nam bị phế trừ, nhập vào làm quận Cửu Giang trực thuộc nhà Hán cai quản.

Lưu An giữ tước Hoài Nam vương 42 năm.