李元吉随李世民屯驻于豳州，防御突厥。因突厥屡屡入侵，李渊想烧毁长安，迁都樊城，李建成、李元吉、裴寂全都同意，秦王李世民坚决反对，迁都未能实行。后来，李世民到东宫赴宴，回来之后“吐血数升”，唐高祖来看望他，并对李建成说：“秦王不能喝酒，以后不要再请他喝酒了。”高祖想派李世民进入洛阳，避免兄弟进一步冲突，李建成和李元吉交换意见后，认为：这会使李世民在洛阳建立自己的势力，提出反对，李渊没有这么做。
李渊准备到太和宫去避暑，李世民、李元吉应当陪同，李元吉对李建成说：“等我到了太和宫，就派精悍的将士抓住他。把他关进地窖，只开一个洞口递送食物。”恰逢突厥的郁射设统率军队驻扎到黄河南岸，围攻乌城。李建成就推荐李元吉代替李世民督率军队北伐突厥，照旧命令秦王府的猛将秦叔宝、尉迟敬德、程知节、段志玄等人一起出发。还调来秦王府的士卒花名册，挑选精兵强将，准备夺取秦王府的人马来充实齐王府。还在李渊面前诬陷杜如晦、房玄龄，将他们赶回了家。李渊明知是他们的阴谋却不制止。
李元吉乘势秘密请求除掉李世民，李渊说：“秦王立有平定天下的功勋，罪行还没有暴露，要是杀他，凭什么理由？”李元吉说：“秦王经常违抗诏令。刚刚平定洛阳时，骄横傲慢踌躇满志，不愿赶紧回京，分赏财物，树立个人恩德。违背抗拒到这种程度，难道不是叛逆？只管赶快杀掉，不愁没有理由！”李渊没有应声，李元吉就退出去了。
李建成对李元吉说：“已经夺取了秦王的精锐部队，你统帅着几万兵众，我和秦王到昆明池，在那里为你饯行，命令勇士把他折杀在帷幕后边，就说是暴病死去，估计父皇不会不信。我再派人劝说父皇，要他把朝政交给我。登位以后，把你立为皇太弟。尉迟敬德等人已经落到你的手中，到时活埋掉，谁敢不服？”率更丞王晊听到这个阴谋，秘密报告李世民。李世民召集府中官吏们讲了这事，他们都说：“大王您如不决断，江山就不属大唐了。如果让建成、元吉的罪恶阴谋得逞，那伙小人得志，元吉凶狠暴戾，终究不会侍奉建成。以前护军薛宝向元吉呈递的符箓说：‘元吉二字合起来就是唐字。元吉得到符箓高兴地说：‘只要除掉秦王，夺取太子之位易如反掌。’挑起内乱还没有成功，就打好了互相争夺太子的主意。凭着大王您的威望，除掉建成、元吉如拔小草。”
李世民迟疑不决，众人又说：“大王您认为虞舜是位什么样的人？”李世民说：“他智慧深邃，才华横溢，温和谦恭，公正诚实，当儿子孝顺，做君主圣明，怎能随便评论他老人家呢？”众人说：“假使他淘井出不来，像鱼鳖一样淹死，怎能成为孝子呢？填塞仓库裂墙时下不来，就被烧成了灰烬，怎能成为圣君呢？忍受小棍敲击，避开大棒拷打，的确是有谋略的。”李世民于是下定决心除掉李建成和李元吉。这一夜，李世民向李渊弹劾李建成、李元吉与继母尹德妃、张婕妤通奸偷情，淫乱后宫。李渊下令次早召见李建成、李元吉，计划召集宰相裴寂、萧瑀、陈叔达来核实李世民弹劾的内容。
李世民在长安城宫城玄武门发动兵变，李建成、李元吉来到临湖殿，察觉到了变化，立即掉转马头，准备向东返回东宫和齐王府。李世民跟在后面呼唤他们，李元吉心虚，先张弓搭箭射向李世民，但由于心急，一连两三次都没有将弓拉满，箭没有射中。李世民却搭弓射向李建成，将他射死了。尉迟恭带领骑兵七十人相继赶到，他身边的将士用箭射中了李元吉，李元吉跌下马来。可就在此时，李世民的坐骑受到了惊吓，带着李世民奔入玄武门旁边的树林，李世民又被林中的树枝挂住，从马上摔下，倒在地上，一时爬不起来。李元吉迅速赶到，夺过弓来，准备勒死李世民，就在这时尉迟恭跃马奔来大声喝住了他。李元吉知道不是对手，赶紧放开李世民，想快步跑入武德殿寻求李渊庇护，但尉迟恭快马追上他，放箭将他射死了，终年二十四岁。
李元吉五子：梁郡王李承业、渔阳王李承鸾、普安王李承奖、江夏王李承裕、义阳王李承度，一起株连被杀。李世民即位后，才将建成、元吉以礼改葬，追封李元吉为海陵郡王，谥号为剌，以礼改葬。又追封巢王，谥号如故，复以第十四子曹王李明为李元吉之后。
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