Xem thêm: Đinh Tiên Hoàng, Đỗ Thích

Năm 979, Đinh Tiên Hoàng và Nam Việt vương Đinh Liễn bị sát hại. Quan Chi hậu nội nhân là Đỗ Thích bị nghi là thủ phạm hàng đầu, sợ hãi bỏ trốn.

Theo Đại Việt sử ký toàn thư, ba ngày sau, Thích khát nước khát thò tay ra hứng nước mưa uống, bị cung nữ phát hiện đi báo. Nguyễn Bặc lập tức bắt giết ngay Đỗ Thích. Ông cùng các đại thần tôn phò con nhỏ của Đinh Tiên Hoàng là Vệ Vương Đinh Toàn lên ngôi, tức là Đinh Phế Đế. Mẹ Phế Đế là Dương Vân Nga trở thành thái hậu.

Tuy nhiên rất nhiều ý kiến của các nhà nghiên cứu sử gia mạng hiện nay lại cho rằng Đỗ Thích là người bị oan cho là trực tiếp giết hại cha con Nam Việt Vương và chủ mưu chính là Lê Hoàn và Dương hậu, mà Đỗ Thích chỉ là quan chi hậu nên bị ép buộc nhưng chưa thực hiện được ý đồ nên là đồng phạm.

Theo Khâm định Việt sử Thông giám cương mục, Nguyễn Bặc, Đinh Điền làm phụ chính cho Phế Đế, nhưng lúc đó Dương thái hậu tư thông với Thập đạo tướng quân Lê Hoàn, cho Lê Hoàn làm Phó vương, nắm quyền chỉ huy quân đội, chuyên quyền, tự do ra vào cung cấm. Nguyễn Bặc lo lắng bàn với các tướng:

"Lê Hoàn sẽ bất lợi cho "nhụ tử"[5], chúng ta chịu ơn dày của nước, nếu không tính tước đi, giữ cho xã tắc được yên thì còn mặt mũi nào trông thấy Tiên đế ở suối vàng nữa?".

Ông bèn cùng Đinh Điền, Phạm Hạp khởi binh, chia hai đường thủy bộ cùng tiến đánh Lê Hoàn. Nguyễn Bặc và Đinh Điền kéo quân từ châu Ái (nay thuộc Thanh Hoá), định kéo thẳng đến kinh đô để giết Lê Hoàn. Dương thái hậu nghe tin, bảo Lê Hoàn:

"Bọn Bặc nổi loạn, quan gia[6] hãy còn thơ ấu, cáng đáng sao nổi giữa lúc quốc gia lắm nạn này! Ông nên tính đi".

Lê Hoàn nói:

"Tôi đây làm phó vương, quyền giữ việc nước, dù sống chết cũng xin gánh lấy trách nhiệm".

Lê Hoàn liền sắp xếp quân đội, đánh nhau với Nguyễn Bặc, Đinh Điền ở Ái Châu. Lê Hoàn vốn là người giỏi dùng binh, Nguyễn Bặc và Đinh Điền không chống nổi, lại đem quân thủy ra đánh. Lê Hoàn theo chiều gió, phóng lửa đốt cả thuyền chiến. Đinh Điền bị chết tại trận, còn Nguyễn Bặc bị bắt, đưa về kinh đô. Trước mặt Nguyễn Bặc, Lê Hoàn kể tội ông:

"Đấng Tiên đế mắc nạn, thần và người đều căm giận, ngươi lại nhân lúc tang tóc rối ren, đứng đầu làm giặc! Đạo tôi con đâu có như thế?".

Rồi Lê Đại Hành giết hại ông. Năm đó ông 55 tuổi, cùng sinh một năm và chết 1 năm với Đinh Tiên Hoàng.

Nguyễn Bặc, Đinh Điền đã chết rồi, quân của Phạm Hạp mất tinh thần, chạy lên hương Cát Lợi ở Bắc Giang. Lê Hoàn đem quân đuổi theo, bắt đưa về kinh đô, giết chết.

Các đạo quân chống đối bị tiêu diệt, Lê Hoàn được sự hỗ trợ của Dương thái hậu và tướng quân Phạm Cự Lạng, liền phế Đinh Toàn làm Vệ vương như cũ, giành lấy ngai vàng, tức là vua Lê Đại Hành, lập ra nhà Tiền Lê.

Ngày nay ở Ninh Bình còn rất nhiều di tích thờ ông và Đinh Điền. Theo các nhà nghiên cứu sử học, số nơi thờ các trung thần nhà Đinh nhiều hơn số đền thờ Lê Hoàn và Dương hậu phản ánh tình cảm của dân chúng đối với các ông.