Nhằm để làm yên lòng Tôn Lâm, Tôn Hưu đã phong thêm 5 huyện sáp nhập vào đất phong của Tôn Lâm và gia phong tước hầu cho các anh em của Tôn Lâm. Tuy nhiên, Tôn Lâm đã sớm không hài lòng với vị hoàng đế mới qua một số việc nhỏ. Chẳng hạn như việc một hôm Tôn Lâm mang rượu và thịt bò vào hoàng cung vì muốn mời hoàng thượng thưởng lãm, nhưng Tôn Hưu đã từ chối. Vì thế Tôn Lâm phải mang rượu thịt đi về, rồi tìm đến nhà tướng quân Trương Bố (張布). Tôn Lâm đã tỏ ra thất vọng vì sự khước từ của Tôn Hưu trong đó nhấn mạnh đến việc cân nhắc sẽ chọn 1 hoàng đế mới. Trương Bố đã mật báo việc này với Tôn Hưu. Tôn Hưu hết sức lo lắng về vấn đề Tôn Lâm mặc dù bên ngoài vẫn tỏ ra sủng ái Tôn Lâm hết mực. Tôn Lâm cũng bắt đầu lo ngại cho vị trí của ông ta nên đã kiến nghị được rời Kiến Nghiệp để đến trấn thủ Vũ Xương (武昌, ngày nay là Ngạc Châu, Hồ Bắc), kinh đô thứ hai của nước Ngô. Tôn Hưu đã chấp thuận.

Tuy nhiên, Tôn Hưu lo ngại việc Tôn Lâm sẽ chiếm thành trì và tạo phản. Ông đã lập kế cùng với Trương Bố và phó tướng Đinh Phụng nhằm diệt trừ Tôn Lâm ở lễ hội Lạp Bát (臘八, tổ chức vào ngày mùng 8 tháng Chạp). Tuy nhiên, kế hoạch đã bị lộ nhưng Tôn Lâm vẫn đến dự hội mặc dù đã biết nguy hiểm. Sau đó, Tôn Lâm đã bị quân sĩ của Trương Bố và Đinh Phụng bao vây và bắt giữ. Tôn Lâm đã cầu xin Tôn Hưu cho sống, ông ta chấp nhận sẽ bị đi đầy ở Giao Châu (miền bắc Việt Nam) hoặc làm nô lệ nhưng đều bị Tôn Hưu khước từ. Tôn Hưu đã phán rằng ông ta không hề cho Đằng Dận (滕胤) (bị Tôn Lâm giết năm 256) hay Lã Cứ (呂據) (bị buộc phải tự sát) bất cứ sự lựa chọn nào. Tôn Lâm bị xử trảm và diệt tộc.