Về cuối đời, Lưu Nghiễm càng tỏ ra bạo ngược, kiêu ngạo và dâm dật, ông không bỏ qua bất kì trò hưởng lạc nào. Ông cũng rất thích thu thập vàng bạc châu báu, trong cung của ông vàng bạc châu báu nhiều vô kể, một khi những đồ vật giá trị này đã vào tay ông thì không bao giờ có hi vọng trả lại. Điện Chiêu Dương của Lưu Nghiễm được trang trí mái bằng vàng, thảm trải bằng bạc, rồi những đường nước chảy trong cung đều được rải hạt ngọc trai, khiến cung điện trở nên nguy nga tráng lệ. Điện Nam Huân ông cho trùng tu vào những năm cuối đời cũng tiêu tốn không biết bao nhiêu tiền của.

Năm 936, Lưu Nghiễm khiển bộ tướng Tôn Đức Uy (孫德威) xâm chiếm Mông châu[chú 18] và Quế châu[chú 19] của Sở. Khi Sở vương Mã Hy Phạm đem 5.000 bộ-kị binh đến Quế châu, Tôn Đức Uy triệt thoái.[25]

Ngoài thu thập vàng bạc châu báu, một sở thích khác người nữa của Lưu Nghiễm đó là xem cảnh cực hình. Ông đã đưa ra các hình phạt tàn khốc, như cắt lưỡi, phanh thây, xỏ mũi,... Ngoài ra còn có hình phạt nhốt phạm nhân dưới nước, sau đó thả rắn độc xuống cắn cho chết. Khi đao phủ thi hành hình phạt, ông thích được tận mắt chứng kiến cảnh hành quyết, thậm chí ông còn kéo phạm nhân vào cung trị tội để mua vui. Bách tính vừa sợ hãi vừa căm hận ông. Đặc biệt, vào năm 937, sau khi mắc bệnh lâu ngày chữa chưa khỏi, ông càng trở nên độc ác hơn, chỉ thích giải khuây bằng trò giết người. Có lần ông cho thả phạm nhân vào nồi nước nóng, sau đó vớt ra để phơi nắng rồi phết muối và rượu lên người phạm nhân, khiến cho da dẻ nát nhừ, để họ chết từ từ mới thôi.

Năm 937, Lưu Nghiễm nhân việc khỏi bệnh, ban bố đại xá.[26]

Năm 937, Dương Đình Nghệ bị Kiều Công Tiễn giết chết, Kiều Công Tiễn đoạt lấy quyền cai quản Tĩnh Hải quân. Năm 938, một tướng cũ của Dương Đình Nghệ là Ngô Quyền nổi dậy lại Ái châu và sau đó tiến công Giao châu, Kiều Công Tiễn cầu viện Nam Hán. Lưu Nghiễm muốn nhân cơ hội này để đoạt lấy Tĩnh Hải quân, do vậy bổ nhiệm hoàng tử- Vạn vương Lưu Hoằng Tháo làm Tĩnh Hải tiết độ sứ, tỉ phong Giao vương, đem binh đến cứu Giao châu, Lưu Nghiễm tự mình đem một đội quân theo sau, dự định đến đóng ở Hải Môn. Lưu Nghiễm hỏi Sùng văn sứ Tiêu Ích về sách lược, Tiêu Ích nói rằng: "Nay mưa dầm đã mấy tuần, đường biển thì xa xôi nguy hiểm, Ngô Quyền lại là người kiệt hiệt, không thể khinh suất được. Đại quân phải nên thận trọng chắc chắn, dùng nhiều người hướng đạo rồi sau mới nên tiến", song Lưu Nghiễm không nghe theo. Tuy nhiên, khi Lưu Hoằng Thao tiến đến Giao châu, Ngô Quyền đã đánh bại và giết chết Kiều Công Tiễn, chiếm cứ Giao châu. Lưu Nghiễm lệnh cho Lưu Hoằng Tháo suất chiến hạm theo sông Bạch Đằng tiến đến Giao châu. Ngô Quyền cho quân sĩ đóng cọc có bịt sắt nhọn xuống lòng sông Bạch Đằng. Khi thuỷ triều lên, bãi cọc không bị lộ. Khi thủy triều xuống, chiến hạm Nam Hán đều bị cọc sắt ngăn lại và không thể tiến thoái, quân Nam Hán đại bại, sĩ tốt chết quả nửa, Lưu Hoằng Tháo cũng tử chiến, sử gọi là trận Bạch Đằng. Lưu Nghiễm hay tin thì gào khóc thảm thiết, tập hợp tàn quân trở về Nam Hán.[26]

Năm 939, Triệu Quang Duệ chỉ ra rằng Nám Hán và Sở chưa gửi sứ giả qua lại từ sau khi Mã hoàng hậu qua đời, và hai nước là thân lân cựu hảo, không thể để mất; tiến cử Gián nghị đại phu Lý Thư (李紓) làm sứ giả. Lưu Nghiễm đồng ý, và sau khi Lý Thư đến Sở, Sở cũng khiển sứ sang Nam Hán, tái lập quan hệ giữa hai nước. Mặc dù vậy, vào năm 941, Lưu Nghiễm khiển sứ đến triều đình Trung Nguyên, đề nghị cùng chiếm Sở rồi chia nhau lãnh thổ, song Hoàng đế Trung Nguyên từ chối.[20]

Năm 942, Lưu Nghiễm lâm bệnh phải nằm trên giường, ông nhận thấy Tần vương Lưu Hoằng Độ và Tấn vương Lưu Hoằng Hy đều kiêu ngạo và phóng túng, còn Việt vương Lưu Hoằng Xương (劉弘昌) là người hiếu cẩn và có trí thức. Do đó ông cùng Hữu bộc xạ kiêm Tây ngự viện sứ Vương Lân (王翷) định để Lưu Hoằng Độ đi trấn thủ Ung châu, Lưu Hoằng Hy đi trấn thủ Dung châu và lập Lưu Hoằng Xương làm người kế vị. Tuy nhiên, Tiêu Ích lại thuyết phục ông rằng nếu không lập đích làm trưởng thì tất loạn, do vậy Lưu Nghiễm ngừng tiến hành kế hoạch. Ngày Đinh Sửu tháng 4 âm lịch năm 942, Lưu Nghiễm qua đời, thọ 54 tuổi. Lưu Hoằng Độ kế vị, tức Nam Hán Thương Đế.[4]

Lưu Nghiễm được mai táng ở Khang Lăng (nay thuộc Phiên Ngung, Quảng Châu), đường vào lăng mộ của ông được đổ bằng thép.