十月十七日，唐军在下博与刘黑闼军队遭遇，当时李道玄带领三万兵马，与副将史万宝不和，李道玄率领轻骑兵率先出战冲入敌阵，命史万宝率大军随后。史万宝按兵不动，对他的亲信说：“我奉皇帝手书敕令说淮阳王是毛孩子，军队行动均委托老夫我。现在，淮阳王冒冒失失出击，如果和他一同进攻，必然一起失败导致覆没，不如用淮阳王作饵引诱敌人，如果淮阳王失败，敌人必定争相前进，我坚守以待，就一定能够打败敌人！”因此李道玄孤军深入敌阵战败阵亡。史万宝带兵准备战斗，但士兵都没有斗志，唐军因此大败，李道玄遭到刘黑闼杀害，年仅十九岁。李道玄多次跟随李世民征伐，李世民深为痛惜，对人说道：“道玄常跟随我征伐，见我深入敌阵，心中羡慕想要模仿，才会这样。”并为李道玄的阵亡而痛哭。唐高祖追赠他为左骁卫大将军，谥号为壮。李道玄无子，故令其弟武都郡公李道明嗣封淮阳王。