北宋康定元年（１０４０年）正月，西夏李元昊进攻延州，刘平与石元孙奉命增援。郭遵建议先侦后进，刘平不听，恃勇轻敌，贸然轻进，二十二日夜，进至三川口（今陕西延安西北），遭到西夏军重兵突袭，三川口之战爆发。两军苦战，双方伤亡惨重，宋军渐不支，刘平退至三川口附近山坡。李元昊多次派人劝降：“汝降乎？不然，当尽死！”刘平不理。刘平遣子刘宜孙求援于黄德和，宜孙告诉德和：“当勒兵还，并力拒贼，奈何先引去！”，令其还击。黄德和却逃往甘泉（今属陕西）。西夏军向宋军驻守的山坡发动攻击，宋军不敌，刘平与石元孙被西夏所俘。

三川口败后，黄德和反诬刘平降敌，刘平家属被官方逮捕。金明寨有两士兵逃回说明真相，殿中侍御史文彦博在河中府置狱，派庞籍前往调查，庞籍调查后称“德和退怯当诛。刘平力战而没，宜加恤其子孙”，黄德和被判腰斩，枭首于延州城下。此时宋廷以为刘平已死，追赠朔方节度使，谥壮武，“子孙及诸弟皆优迁”。不久有党项人来报刘平“在兴州未死，生子于贼中”。宋廷不信。后来同被俘的石元孙放还返宋，确定刘平未死。刘平后来卒于兴州。