后来,李夫人病重,汉武帝亲自前去探望她,李夫人蒙着被子辞谢道:“妾长期卧病,容颜憔悴,不可以见陛下。希望能把儿子和兄弟托付给陛下。”汉武帝说:“夫人病重,大概不能痊愈,让我见一面再嘱托后事,岂不快哉?”李夫人说:“妇人容貌未曾修饰,不可以见君父。妾不敢以轻慢懈怠的态度见陛下。”汉武帝说:“夫人如见我一面,将加赠千金的赏赐,而且授予你的兄弟尊贵的官职。”李夫人说:“授不授尊官都在于陛下,不在于见妾一面。”汉武帝还是坚持一定要见她,李夫人便转过脸去叹息流泪,不再说话。于是汉武帝不高兴地起身离开了。
汉武帝走后,李夫人的姐妹责备她说:“贵人您为什么不可以见一见陛下以嘱托兄弟呢?难道这样痛恨陛下吗?”李夫人说:“我之所以不愿见陛下,正是为了能确实地托付兄弟之事。我因为容貌美好,得以从微贱地位获得宠爱。以美色事人者,色衰则爱意松懈,爱懈则恩义断绝。陛下之所以还能念念不忘来看我,正因为我平生美好的容貌,现在如见到我容貌毁坏,颜色非故,一定会厌恶抛弃我,还怎么会记得怜悯录用我的兄弟呢!”
不久,李夫人去世,汉武帝以皇后的礼仪将她安葬。 李夫人因年少早死,汉武帝怜闵她,于是命画师将她的容貌画下来挂在甘泉宫。 后来,汉武帝任命李夫人的兄长李广利为贰师将军,封海西侯,李延年为协律都尉。
后元二年(前87年),汉武帝去世,汉武帝少子刘弗陵继位,是为汉昭帝。汉昭帝继位后,由大将军霍光辅佐朝政,霍光依照汉武帝的平素意愿,在宗庙中以李夫人配享祭祀,并追加尊号为孝武皇后。