Năm Kỷ Mão (979), Đinh Tiên Hoàng và Nam Việt Vương Đinh Liễn bị sát hại, triều đình tôn người con còn lại của Tiên Hoàng là Vệ Vương Đinh Toàn mới 6 tuổi lên ngôi kế vị. Lê Hoàn làm Nhiếp chính đại thần, thường ra vào cung cấm tư thông với thái hậu Dương thị là mẹ của ấu chúa. Sau đó, Lê Hoàn lại tự xưng là Phó Vương, mọi việc trọng sự đều do tay Lê Hoàn sắp đặt.

Đinh Điền cho rằng Lê Hoàn có ý đồ thoát đoạt. Ông bàn với Nguyễn Bặc và Phạm Hạp cùng một số trung thần khác, bỏ quan về ở ẩn để mưu tính đại sự. Ông tập kết các anh hào, tướng sĩ trung thành với nhà Đinh để chuẩn bị đánh Lê Hoàn.

Đinh Điền hợp quân với Nguyễn Bặc, Phạm Hạp, đem hai đạo quân thuỷ bộ từ Ái Châu (Thanh Hoá) tiến về kinh thành Hoa Lư mưu giết Lê Hoàn, thu giang sơn lại cho nhà Đinh. Nhưng Lê Hoàn lợi dụng gió đông nam thổi mạnh, đánh một trận hoả công, đốt sạch thuyền bè, quân sĩ của Đinh Điền, Nguyễn Bặc. Đạo thuỷ quân tan rã, Đinh Điền bị tử trận.

Sau đó không lâu, Nguyễn Bặc và Phạm Hạp cũng bị Lê Hoàn đánh bại, bị bắt và bị xử tử.

Về thời gian diễn ra trận chiến và cái chết của Đinh Điền, các nguồn tài liệu ghi khác nhau. Sử sách thống nhất ghi việc này diễn ra vào cuối năm 979. Theo thần phả ở Ninh Bình, việc này diễn ra ngày 20 tháng 4 năm Canh Thìn (tức 5 tháng 6 năm 980). Một số thần phả khác, được Từ điển các nhân vật lịch sử Việt Nam[5] dẫn lại, cho rằng ông cùng vợ là Phan Môi Nương bị thua trận, quân tan nát hết nên cùng nhau tự vẫn ngày 20 tháng 11 năm Kỷ Mão (tức 12 tháng 12 năm 979) chứ không phải ông bị tử trận.

Nhân dân vô cùng thương xót, coi ông là bậc trung thần, vì nghĩa cả quên mình nên đã thu nhặt hài cốt ông đem về chùa Trúc Lâm, nơi ông tu hành trước để an táng. Ngày nay ở rất nhiều nơi đặc biệt tại Gia Viễn, Hoa Lư có đền thờ ông và Nguyễn Bặc.

Chính Lê Hoàn lên ngôi vẫn cảm phục Đinh Điền, sắc phong ông làm: “Tế thế Hộ quốc Hiển ứng Linh quang Đại vương”, vợ ông là Phan Môi Nương cũng được sắc phong là: “Huệ Hoa Gia Tĩnh Trinh Thục phu nhân”. Vua Lê Thái Tổ sau này sắc phong cho Đinh Điền là “Thượng đẳng Vạn cổ Phúc thần Trung thánh Đại tư đồ Bình chương sự Khai ốc Công đức Văn Đại vương”