四月，晉將周德威率大軍向幽州南門挺進。二十日，燕帝劉守光派人致信周德威請和，言辭謙卑哀憐。
周德威對使者說：“我受命討伐有罪之人，不可能談和。”他不給燕帝回信。劉守光更害怕了，派人第二次苦求請和，周德威這才報告晉王。
十月，晉軍攻占了盧龍節度使下轄的州郡，燕帝劉守光困守幽州孤城之中，隻好派人向契丹求援。
契丹因劉守光反複無常，說話不算話，拒絕出兵。
劉守光多次求降於晉軍，晉軍疑其有詐，始終不肯答應。最後，劉守光登上城牆向周德威說：“等晉王來，我就把城門打開向晉王投降。”周德威便派人報告晉王。
十一月初六，晉王命監軍張承業留守晉陽，親自帶領軍隊向幽州進發。
二十三日，晉王單人匹馬前往幽州城下會見劉守光，對他說：“當初朱氏篡唐，我本來想與你一道聯合河北五鎮之兵興複唐朝，誰知你不懷好意，居然模仿朱全忠稱帝的行為。鎮、定二帥一心一意臣服於你，而你卻出兵相侵，才導致了我們今日之戰。成敗興亡之際，你準備怎麼辦？”
劉守光說：“我現在是俎上之肉，任大王隨意發落。”晉王聽了這話頓生憐憫之心，當場折箭為誓，說：“你隻管出來相見，我一定不會處置你。”劉守光推辭說過幾天再出城投降。
自劉守光篡奪王位以來，其愛將李小喜出了許多壞主意，都得到劉守光的認同，因此李小喜權傾境內。眼下劉守光打算打開城門出去投降，李小喜竭力勸阻。當晚，李小喜本人越牆出城，向晉軍投降，並說城中守兵已經沒有糧食和體力維持下去。
二十四日，晉王督命各支部隊四麵攻城，一舉攻占幽州，將軟禁多年的劉仁恭及其妻兒抓獲，但劉守光卻攜妻兒逃竄。二十五日，晉王進入幽州城。
燕帝劉守光準備逃到滄州去投奔劉守奇。當時是寒冷的冬天，劉守光的腳踝都凍腫了，而且又迷了路，走到燕樂縣境內，白天不敢露麵，隻好躲在山穀裏，餓了幾天，他讓妻子祝氏出去乞食。
祝氏來到農民張師造家，張對這蓬頭垢麵的婦人很好奇，一問，她就實說了。張師造得知了劉守光的藏身之處，就帶人抓走了劉和他的三個兒子。
初六，晉王正在吃飯，劉守光在官兵的押送下來了。
晉王對劉守光說：“你這個做主人的，怎麼這樣千方百計對客人避而不見呢？”他讓人把劉守光和其父劉仁恭都安頓在客館裏，並給他們送去衣服和飯菜。
公元914年（後梁末帝乾化四年）正月十五日，晉王在歡呼聲中將五花大綁的劉仁恭父子押進晉陽。十九日，將劉氏父子獻於太廟，劉守光在晉王監視下行刑。劉守光大叫：“我死了倒沒什麼不甘心的，可是是李小喜獻計讓我不投降的。”
晉王派人叫來李小喜，李圓瞪雙眼嗬斥劉守光說：“你奸淫親屬，行如禽獸，也是我教的嗎？”晉王看到他如此對待舊君，很是反感，先把他斬了頭。
劉守光又央求道：“我擅長騎馬射箭，大王如果想建立霸業，不如留下我為你效忠吧！”
劉的兩位妻子李氏、祝氏責備他說：“到如此田地為何還要貪生！我們願意先您而死。”說完遂延頸就戮。
劉守光一直到死依然沒有停止哀號乞憐。
晉王又命節度副使盧汝弼等把劉仁恭押送到代州，刺其心血為先王李克用之墓祭奠，然後砍了他的頭。