Năm 174 TCN, Lưu Trường gợi ý cho Khai Chương khởi loạn, lại sai sứ đi câu kết với Hung Nô và Mân Việt để làm phản. Âm mưu bị bại lộ, Lưu Trường bị bắt. Các quan trong triều khuyên Văn Đế xử phanh thây nhưng Văn Đế vì tình anh em không nỡ làm. Các quan lại xin phế truất ngôi vương và đày ra Nghiêm Đạo[10]. Văn Đế chấp thuận.

Trên đường áp giải ra Nghiêm Đạo, ông tuyệt thực và tự sát. Năm đó Lưu Trường 24 tuổi.

Những người áp giải ông không dám mở xe ra xem. Mãi khi đến huyện Ung[11], họ mới phát hiện là ông đã chết[6].

Hán Văn Đế vốn muốn đày Lưu Trường để răn đe, nghe tin ông tự sát, rất thương tiếc[12], liền truy tặng ông là Hoài Nam Lệ vương; sau đó chia nước Hoài Nam cũ làm 3, phong cho con ông là Lưu An làm Hoài Nam vương, hai người con khác làm Hành Sơn vương và Lư Giang vương.