在篡夺国家权力的初始阶段，赵高不得不借助于丞相李斯，甚至与他合谋。然而，当赵高自觉得羽翼日渐丰满的时候，李斯便成为他篡夺国家最高权力的障碍。善于搞阴谋诡计的赵高设计陷害李斯，李斯便中了圈套而落网。
赵高察知李斯想要向二世进谏，便心怀鬼胎地向李斯说：
“关东地区的群盗日见增多，现今圣上却急于征发更多的徭役修建阿房宫，聚敛狗马一类的可供玩好之物。臣想要进谏，因为地位低贱而未上言。这正是君侯应当说的大事，为何不劝谏圣上？”
“是这样啊，我想就此而进谏已是很久了。现在圣上已不再临朝问事，深居宫中，我有话要说也无人给传达，想要面见又无有机会。”李斯答。
“君侯果真想劝谏，请允许臣为您寻找一个适当的机会。”赵高的这句话，正是他诱使李斯坠入法网的圈套。当二世在宫中与嫔妃们玩乐得正高兴的时候，赵高派人通知李斯说：
“圣上此刻闲居无事，可以入宫奏事。”
李斯到宫门交上请求接见的名帖，二世见丞相前来，便不得不令嫔妃们退下，准备接见李斯，但心里很不高兴。赵高总是选择二世与嫔妃们玩得高兴的时候通知李斯入宫奏事，多次如此，二世便在宫中面对赵高发泄自己的怨恨，说：
“我平时有很多闲暇的时候，可丞相总是不来。我刚刚想要玩乐一会儿，丞相却偏偏来宫奏事，这岂不是轻视我吗？”
在一旁侍立的赵高见二世如此言语，便趁机说道：
“果真如此那就危险了！丞相参与了在沙丘的谋划，今陛下已立为帝，而丞相的富贵又无法再增加，他的意思是想分地称王吧。况且陛下如果不问臣，臣是不敢谈下面这件事的。丞相的长子李由任三川郡郡守，楚地的盗贼陈胜等都是丞相家乡邻县的人，所以楚盗才得以公行天下，路过三川郡时，李由守于城中而不肯出击。我还听说李由与盗贼之间有书信往来，不知果真是否如此，因而未敢向圣上禀报。况且丞相居于宫外的三公之府，权势重于陛下。”
二世认为赵高讲得很对，想要立案审问李斯，又担心情况不够确实，便派人立案调查三川郡守李由与盗贼私通的情况。
李斯闻听二世派人调查长子与盗贼私通，这才如梦方醒，知道向皇帝进行劝谏以来一些蹊跷的事情是赵高从中设计陷害自己，决定面见二世。当时秦二世在甘泉山的离宫观看摔跤和说唱滑稽剧的表演，李斯未被接见。于是，李斯上书对赵高进行攻击说：
“臣闻知：臣比拟于君，与国君势均力敌，无不危害于国；妻妾比拟于丈夫，无不危害于家。今有大臣于陛下面前擅专利害，与陛下无有不同，这是极大的不利。当年子罕于宋国为相，亲自主管刑罚，威行国内，终于弑宋桓侯。田常为臣于齐简公，于国内爵位最高，私家财富与公室相等，又向百姓施以恩惠，下得百姓之心，上得群臣之举，终于弑简公于朝，篡夺齐国政权，这都是天下无人不知的。现今赵高有邪恶放纵之志，反叛之行，犹如当年子罕为宋相，田常为臣于齐，兼行子罕、田常篡逆之道而劫夺陛下的威信。陛下如不及早图谋，恐怕赵高要发动变乱。”
二世看过李斯的上书，半信半疑地对李斯说道：
“怎么会是这样？赵高原不过是一个宦官，但他不因环境安乐而放肆，为所欲为；又不因危难而改变忠诚之心，洁身修善，以至于达到今天这种地步。他因忠诚而受到提拔，以诚信而忠于职守，朕确实以他为贤臣，而君侯却对他表示怀疑，这是何缘故？况且朕年少失去先帝，缺少见识，又不熟悉安国治民之事，而君侯又已年老，恐怕早晚要失去治理天下的能力。在这种情况下，朕不把国事委托于赵高，又有谁能堪担此重任？况且赵高为人精明清廉，强而有力，下知人情，上适朕心，君侯不要对他有所怀疑。”
“不是这样。赵高原不过是一个贱人，不识于道理，贪得无厌，求利不止，地位与权势仅次于君主，而他的欲望又无穷止，臣因此说目前的形势甚是危险。”尽管李斯如此揭露赵高篡权的野心，无奈赵高早已取得了二世的信任。二世担心李斯杀害赵高，私下把这一切都告诉了赵高。赵高对二世说：
“丞相所顾忌的唯独是我赵高。高如死去，丞相便会立即效法田常弑君篡国。”
二世对赵高从来是言听计从，今见赵高说丞相即将弑君篡国，便不假思索地下令：“将李斯交由郎中令查办！”
赵高奉圣旨审理李斯，李斯身陷囹圄，在狱中仰天长叹道：“真是可悲啊！在昏庸无道的君主面前，还有什么可以为他谋划的！当年夏桀杀贤臣关龙逄，殷纣王杀王子比干，吴王夫差杀害伍子胥。这三位名臣，难道是不忠吗？然而都不免于一死，虽身死而他们所忠于的君主并非是明君。我的德行比不上关龙逄等三位贤人，而二世的昏庸无道却有过桀、纣、夫差，我因忠君报国而死，也就没有什么不应该的了。况且二世如此治国怎能不引起祸乱！当时杀兄弟而自立为帝，杀忠臣而以贱人为贵，继续修造阿房宫，赋敛天下财富。我并非是不劝谏，是他不听从我的劝谏啊。凡是古代的圣王，都是饮食有节，车器有数，宫室有度，法令与行事有加重百姓负担而不利于民者一律禁止，因而能长治久安……如今天下已有半数人反叛，而二世内心尚不省悟。以赵高为佐助，我必将看到贼寇兵至咸阳，咸阳宫变成一片废墟，乃至于麋鹿出没于当今的朝廷之上。”
李斯在狱中总算是认清了形势和自己的处境与归宿，只是为时已晚。他末尾对秦帝国和秦二世所说的话，既是诅咒，也是预言。
当时二世命郎中令赵高审理丞相李斯一案，依法治罪。罪名是李斯与长子李由谋反，收捕李斯父子的宗族宾客。赵高在审案期间，对李斯严刑拷打。李斯承受不住拷打，便胡说一通表示认罪。李斯所以认罪而不自杀身死，以为自己能言善辩，有功于国，实无反心，侥幸有机会上书为自己申辩，幻想二世省悟而赦免自己。于是李斯在狱中向二世写了一份上书，书中列举他在秦国30余年中所立下的7大功劳。然而上书经狱吏交至赵高手中，赵高令人毁掉上书而不上交二世，说道：“囚徒怎得上书？”
按照秦律规定，罪犯对刑讯下招认的口供进行翻供，刑讯下的口供便失去作为证据的效力，不得依此做出判决。赵高因此而施展诡计，派出自己的心腹门客诈称是朝廷派出的御史、谒者、侍中，轮番前往狱中审讯李斯，李斯信以为真，以为是二世派人前来讯问实情，便否认刑讯下的“诬服”。这些人走后，赵高令人对李斯再次严刑拷打，李斯才得知上当受骗。后来二世果真亲自派人来狱中讯问李斯，以检证他的口供是否真实。然而，李斯却误以为还是赵高在搞鬼，便不再翻供，招供认罪，承认与盗贼私通。使者向二世汇报审讯情况，二世高兴地说：“如果没有赵高，我几乎被丞相所出卖。”其实，赵高再次愚弄了二世。二世先前派出调查李由罪证的使者到达三川郡时，李由已被项梁所统率的义军所击杀，待使者回到咸阳，丞相李斯已被下狱问罪。赵高便胡乱编造了一些诬陷之辞。
秦二世二年（前208年）七月，李斯一案结案，判处腰斩于咸阳市中。行刑的那天，李斯被带出监狱大门，与他的二儿子一同被押赴刑场。途中，李斯回首对二儿子说：“我想要与你再次牵着黄狗一道上蔡城的东门，到郊外去追逐狡兔，还能够做得到吗？”说完，父子二人抱头痛哭，李斯父母、兄弟、妻子的三族均被诛杀。
一生追逐富贵的李斯，担心扶苏即位后自己与子孙会因此而失去爵禄，与赵高合谋篡改遗诏，杀害扶苏、蒙恬，立胡亥为帝；后来为免祸又向二世献督责之术，坑害群臣与百姓，最终免不了被赵高陷害致死，失去的何止爵禄，实属咎由自取。这便是李斯的可悲下场。