许诺上官桀事成后裂土封王，同时联络各地“豪杰”数千人。不久，公主来信，告诉刘旦，右将军 王莽已死，丞相有病，大业必成。刘旦见信大喜，分付群臣各自收拾行装，准备起程入宫为帝。
自绞谢罪，元凤元年(公元前80年)九月，鄂邑长公主门下的稻田使者 燕仓知道了上官桀等人的阴谋，向大司农 杨敞告发，杨敞转告了谏大夫 杜延年，于是昭帝、霍光掌握了上官桀等人的武装政变计划。遂在这一政变未发动之前，部署官员追捕 孙纵之以及上官桀等人。
刘旦得知左将军上官桀等已伏诛、反情败露后，与燕国丞相商议是否发兵起事，丞相认为上官桀已死，百姓皆知，不可起兵。不久汉廷下发赦令，赦免燕国所有的官吏和百姓，却唯独没有赦免刘旦。刘旦准备自杀，左右亲信认为倘若朝廷削去封国，废掉王爵，还可以保住性命。
燕王的姬妾夫人也都哭啼着阻拦，刘旦便不再寻死。昭帝又派专使赐送玺书，斥责刘旦“有叛逆悖乱之心，无忠君爱国之义。假如作古之人泉下有知，又有何脸面再见列祖列宗”刘旦得书会意，即以绶带自缢而死，在王位三十八年，谥号刺王。
相关的史书记载都有《 史记·三王世家》《 汉书·卷七·昭帝纪第七》《汉书·卷六十三·武五子传第三十三》《汉书·卷六十八·霍光金日磾传第三十八》《 资治通鉴·卷二十二、三》[1]
五行怪异。元凤元年(公元前80年)，上官桀等谋划政变，由公主宴请霍光就席间击杀，刘旦得知消息后非常兴奋，坐等黄袍加身。就在此时，燕国却怪事纷起：都邑蓟城突遇暴风雨，大树摧折、城楼倒塌;雨后，彩虹悬垂宫中，吸尽井水。九月，乌鹊相斗，乌鸦溺毙于宫中水池;后宫永巷之中，群猪发狂，闯出猪圈，突入厨房;更为奇异的是，有一鼠立在王宫端门之中，旋转跳舞，燕王心惊，派人以酒肴祭奠，并无效验，舞尽一日一夜后力竭而死。
其后，又有流星下坠，声震远近，通向京师的燕城南门亦被天降大火焚毁。种种怪异，层见叠出，宫中自后姬以下人人震恐。刘旦因此受惊得病，遣人四出祈祷鬼神。燕王宾客 吕广善观天文，入见刘旦说：“五行怪异，九、十月间，当有兵马围城，汉廷有大臣被戮。”刘旦听后，愈