Lê Văn Hiểu đã ở trong thế kẹt hai đầu. Ông từ khước lời chiêu dụ của Đàng Trong, còn chúa Trịnh ở Đàng Ngoài cũng đã mất kiên nhẫn. Trong tháng Năm của năm Ất Mùi [1655], triều đình Lê Trịnh triệu hồi toàn bộ tướng lĩnh của hai doanh Tả Trấn quân và Hữu Trấn quân về kinh đô. Lê Văn Hiểu trong lúc chiến đấu, bị trúng đạn ở chân. Chưa đi tới kinh đô thì ông qua đời.
Phía Đàng Trong nhận cái chết của Lê Văn Hiểu là chiến công của Nguyễn Hữu Dật. Họ nói rằng Nguyễn Hữu Dật đã soạn một bức mật thư, sai gián điệp Nguyễn Văn Phương lẻn ra Đông Kinh. Văn Phương là con trai của Đô đốc Lễ quận công của Đàng Ngoài. Văn Phương ra đó, trước tiên tìm gặp em trai mình là Nguyễn Văn Tường, rồi đi yết kiến cha là quận Lễ, dâng thư của Nguyễn Hữu Dật. Trong thư, Nguyễn Hữu Dật kể tội Lê Văn Hiểu tự ý phát binh quấy rối Nam Hà, mới gây chuyện đao binh. Quận Lễ bèn đem thư tới trình Hộ bộ Thượng thư, Tả đô đốc Sùng quận công. Quận Sùng bèn vào tố với chúa Trịnh Tráng. Hôm đó là ngày 29 tháng Tư. Chúa Trịnh Tráng bèn sai sứ giả vào Nghệ An, triệu Lê Văn Hiểu về hỏi tội.
Lê Văn Hiểu mượn cớ chân bị thương, xin nghỉ lại dịch trạm một hôm. Đêm ấy, ông ngồi trên chiếc giường tre, ngửa mặt nhìn trời than thở:
– Ta thân làm biên tướng, nhiệm vụ rất nặng, trách nhiệm cũng lớn. Nay coi giữ Dinh Cầu, thành đã mất mà thân vẫn còn, chẳng phải là anh hùng vậy. Miễn cưỡng theo người ta về kinh thì còn mặt mũi nào gặp người trong thiên hạ!
Lê Văn Hiểu than dài ba tiếng:
– Hoàng thiên soi chiếu chăng? Quỷ thần hiểu rõ chăng? Trịnh vương có biết chăng?
Rồi lại than:
– Thời vậy! Mệnh vậy! Vận vậy!
Than xong, bèn uống thuốc độc tự tử, thọ 54 tuổi.