员追查此事，刘胥非常害怕，为了灭口，毒死巫师与宫人二十多人。公卿请求诛杀刘胥，汉宣帝派廷尉、大鸿胪前往审讯，刘胥谢罪说：“罪该万死，这些罪状，确实都有。不过事情已过很久，请允许我回去仔细想想再全部招供。”刘胥见过使者后回宫，在显阳殿设置酒宴，与太子刘霸及女儿刘董訾、刘胡生等夜饮，让他宠幸的姬妾郭昭君、赵左君等鼓瑟歌舞。
刘胥身边的人流着泪轮流为他斟酒，酒宴直到鸡鸣时才散，刘胥对太子刘霸说：“皇上待我很重，而我太辜负皇上，我死后，尸骨应当暴露在外。如果有幸允许安葬，也应薄葬，不要厚葬。”随即用绶带自缢而死，宠幸的姬妾郭昭君等二人都自杀。汉宣帝加恩，赦免刘胥的几个儿子死罪，都免为庶人，赐刘胥谥号为厉王。