Cuối năm 979, mùa đông tháng 10, cả Đinh Tiên Hoàng và Đinh Liễn bị sát hại trong cung[2]. Lúc đó ông 40 tuổi. Người con trai còn lại của Đinh Tiên Hoàng là Vệ vương Đinh Toàn được đưa lên ngôi, tức là Đinh Phế Đế.

Theo sử sách, người sát hại cha con Đinh Liễn là nội nhân Đỗ Thích[2], nhưng một số nhà nghiên cứu gần đây đặt giả thiết vụ này chủ mưu là Lê Hoàn và hoàng hậu Dương Vân Nga. Động cơ và hoàn cảnh của vụ án này thực chất là ngôi thái tử và gần giống với Vụ án Lệ Chi Viên sau này. (Xem thêm bài về Đinh Tiên Hoàng).

Sử sách không ghi chép về gia quyến Đinh Liễn, chỉ biết ông có một người vợ là em gái sứ quân Ngô Nhật Khánh. Theo gia phả họ Đinh Danh ở Thái Bình, sau khi Đinh Toàn lên ngôi, Lê Hoàn làm phó vương đã "cấm cố họ Đinh", vì vậy gia đình Đinh Liễn đã phải chạy đi nơi khác và thế hệ sau của họ này chính là Đinh Lễ, Đinh Liệt - các công thần khai quốc nhà Hậu Lê.

Sách Đại Việt sử ký toàn thư, bản kỉ quyển 1 chép:

Mùa xuân [năm Kỷ Mão, 979], Nam Việt Vương [Đinh Liễn] giết chết Hoàng Thái Tử Hạng Lang. Đinh Liễn là con trưởng của Nhà vua, thuở hàn vi từng chịu đựng gian khổ, khi thiên hạ được thái bình, ý vua cũng muốn truyền ngôi cho, bèn phong làm Nam Việt Vương. Đinh Liễn lại cũng từng chịu mệnh và nhận tước vị của nhà Tống ban cho. Nhưng về sau, vua sinh được người con trai nhỏ là Hạng Lang, rất mực yêu quý, bèn lập Hạng Lang làm Thái Tử. Đinh Liễn bất bình, liền sai người lập mưu giết đi[2].

Đinh Liễn là người đã trưởng thành, có công lao, lại được vua Tống thừa nhận trong quan hệ ngoại giao. Việc ông bị giết cùng vua Đinh là một trong những lý do khiến nhà Tống lấy cớ để khởi binh sang đánh nước Đại Cồ Việt.

Có ý kiến cho rằng xưa kia (năm 951), khi Đinh Bộ Lĩnh sai người nhằm Đinh Liễn (đang bị hai vua Ngô treo trên sào) mà bắn tức là trong lòng vua Đinh đã không có Liễn rồi. Tuy nhiên suy diễn như vậy có phần phiến diện. Trong hoàn cảnh bức bách này, vua Đinh buộc phải làm cách đó vì đại sự và không phải vua Đinh không yêu Đinh Liễn. Giống như trường hợp Lưu Bang, khi thấy Hạng Vũ đặt cha mình lên thớt, Bang thương cha nhưng vẫn buộc lòng phải nói: "Cha ta cũng như cha ngươi, nếu ngươi nấu cha ta thì cho ta xin bát nước luộc với!" Có nói như vậy Hạng Vũ mới "nản lòng" không giết cha Lưu Bang nữa. Việc Đinh Liễn giết Hạng Lang là nhẫn tâm, nhưng Tiên Hoàng không trừng phạt ông cho thấy vua Đinh vẫn có ý để ông là người nối nghiệp. Tiên Hoàng đã nhận ra sai lầm lần đầu khi lập con nhỏ, bỏ con lớn và nhà vua đã đủ sáng suốt khi không giết nốt con lớn, chỗ dựa lớn nhất của ông trong việc duy trì sự nghiệp nhà Đinh.

Đinh Liễn cùng Đinh Bộ Lĩnh, Đinh Toàn và Đinh Hạng Lang được thờ ở Đền Vua Đinh Tiên Hoàng, thuộc quần thể di tích cố đô Hoa Lư, huyện Hoa Lư, Ninh Bình.