就在麾下众将与金兵死战时，李彦仙也正率众与金兵巷战，只见金兵将李彦仙堵于巷道中，乱箭齐发。转眼之间，李彦仙便浑身中箭如同刺猬，即使如此，李彦仙仍不退却，反而将射于身上的箭矢尽数折断，而后返身怒杀金兵。受其感染，城中军民无不奋起抵抗，就连妇孺都爬上屋顶，揭瓦以掷金兵。

此时完颜活女、折可求各舞兵器，前来与李彦仙交战。李彦仙则使钩镰枪左钩右刺，力战二将，斗到三十余合，折可求手舞兵器，正中李彦仙小腿。

虽然小腿疼痛，但李彦仙以枪尖点地，身躯不倒，完颜活女趁势一步踏上，一刀劈中李彦仙左臂，中刃不断。李彦仙两处重伤，又身中十数箭，仍是强忍剧痛，面对二将，非旦毫无惧意，反而越战越勇。

远处完颜娄室登高望见李彦仙重伤，仍然死战，爱惜其才，于是传令唤回完颜活女与折可求二人，同时下令道：“务必生擒李彦仙，不得害其性命，但有俘获者，赏万金！”金兵听后，个个状若恶虎，奋不顾身冲杀上来。

李彦仙在远处听到完颜娄室军令，要活捉自己，恐怕自己被俘受辱。于是换了敝衣，混入乱军之中，渡河逃脱，恨道：“吾不甘以身受敌人之刃。”

李彦仙逃离之后，完颜娄室彻底占领陕州，因恨城中军民抵抗日久，便下令屠城，于是城中无论老弱妇孺，尽被金兵屠戮。

消息传到李彦仙耳中，顿时令其怒恨交加，叹道：“金人所以甘心此城，杀过当者，以我坚守不下故也，我有何面目复见世人乎？”于是转身投入黄河而死，时年三十六岁。

李彦仙既死，完颜娄室更将其在城中的家人尽皆捕捉杀害，惟有其弟李夔、其子李毅于城破之时，在逃亡百姓的护佑下得以身免。

陕州陷落，自此关中之地，已尽入金人之手。张浚闻讯落泪，于是承制赠李彦仙彰武军节度使，建庙商州，号“忠烈”。

陕州一战对整个川蜀形势影响极大，李彦仙以孤城扼其冲再逾年，大小二百余战，金人不得向西。但却因宋军将领各自心怀鬼胎，不肯守望相助，以致州城陷落，更为日后张浚富平惨败埋下了伏笔。