川之役时，王振已经忌恨他，钦天监正彭德清与刘球是同乡，一向做王振的心腹，凡天文有变，他都隐匿不报，倚仗王振的权势为奸，公卿多去拜谒他，刘球却绝不与他往来，彭德清恨他，便摘引奏疏中揽权的那段话，对王振说：“这是指您。”王振更加愤怒。正好董瞒的奏疏呈上了，王振便说刘球与他同谋，将他们都逮入诏狱，吩咐锦衣卫指挥使马顺杀刘球，马顺深夜带着一名小校持刀到关押刘球的地方。刘球正睡着，马上起身站起，大喊太祖、太宗，他头被砍断了，身体还站着，马顺遂将他肢解，埋在监狱门口之下。董璘从旁边偷出血裙送给刘球家人，后来他的儿子刘钺找到一条手臂，用血裙裹起来装殓了。
刘球死后几年，瓦剌果然入侵，英宗被俘，王振被杀，朝臣在朝堂上将马顺打死，而彭德清从土木堡逃回来后，被投进监狱，判斩刑，不久后死于狱中，景帝下诏将他戮尸。景帝怜惜刘球的忠诚，追赠其为翰林学士，谥号忠愍，在他的家乡立祠祭祀他。
刘球文多和平温雅，着有《两溪文集》二十四卷，《皇明经世文编》辑有《刘忠愍公奏疏》一卷，《列朝诗集》录其诗两首。