晋王李存勖派周德威率领三万人会合镇、定军攻打桀燕，从岐沟关进入燕境，澶、涿、武、顺各州都闻风而降。刘守光被围一年多，屡战屡败，才派客将王遵化送信给晋将周德威说：“我得罪晋王，迷不知返，现在患病，请替我向晋王解释原因。”
周德威对王遵化说：“大燕皇帝还没有到南郊祭天，怎么到这个地步？我受晋王之命讨伐僭乱的人，其他的事一概不知道。”刘守光从此更加困乏，又献出绢千匹、银千两、锦百段，派部将周遵业对周德威说：“我王以实情告诉你，富贵成败，人之常理；记住别人的功劳，宽恕别人的过错是称霸者的胸襟。刘守光去年狂妄，妄自称天子，本意是不愿在朱温之下而已，哪里料到晋王的大军来包围一年多，如今知道自己的过错，请求晋王能宽免。”周德威不许。
刘守光无奈之下登城对周德威喊道：“你是三晋的贤士，难道不能想到别人的危难吗？”派人用自己的马交换周德威的马而去，告诉说：“等晋王到了之后我就投降。”李存勖就自己到军中，刘守光登城见李存勖，李存勖问他准备怎么办。刘守光说：“我现在是砧板上的肉，任凭王处理吧！”刘守光有个宠幸的人叫李小喜，劝他不要投降，刘守光请求等待几天。当晚，李小喜叛降晋军，晋军攻破幽州城，捉拿刘仁恭家族三百人。
刘守光和妻子李氏、祝氏，儿子刘继珣、刘继方、刘继祚等南走沧州，之后不慎迷路，走到燕乐县境内，几日都得不到饭食，刘守光派妻子祝氏到农家乞食，农家感到奇怪，询问情况，祝氏却以实相告，于是刘守光一行就被擒住送往幽州。
晋王李存勖正在犒赏三军，客将把刘守光押到晋王李存勖阵前，李存勖戏弄刘守光道：“你作为此地之主为何急着逃避客人？”刘守光向李存勖叩头请死，李存勖命人用刑具随军押送刘守光及其父刘仁恭。李存勖大军路过赵王王镕的辖地，赵王王镕会见晋王李存勖，大设酒宴，喝得正高兴时，王镕请求见一见刘仁恭、刘守光父子。晋王李存勖命人带刘守光父子前来坐下，刘仁恭、刘守光父子饮食如常，毫无一丝惭愧的意思。
晋王李存勖回到太原，把刘仁恭、刘守光父子捆在一起，献于晋国太庙。刘守光将死之时，哭着说：“我死了没有遗憾，然而劝我不投降的人是李小喜，如今罪人不死，我到了地下也不会安生。”李存勖派人召李小喜，李小喜侧目而视、斥责刘守光说：“你囚父杀兄，奸淫父妾，也是李小喜叫你做的吗？”晋王李存勖大怒，命令先斩李小喜，刘守光知道不能免死，大叫道：“晋王要恢复唐室，成就霸业，为什么不赦免臣，让我为你效劳？”他两个妻子在旁骂道：“事已至此、活着还能有什么作为？我们愿意先死！”于是，刘守光的妻子家人被李存勖所杀，晋王李存勖派李存霸把刘守光之父刘仁恭押到雁门，破腹取心祭奠先王李克用，然后斩杀刘守光。
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