李炎長期服食長生丹藥，性格愈加急躁，喜怒失常。會昌五年(845年)十月，李炎召李德裕詢問朝外之事，李德裕回答：“陛下的嚴厲決斷讓人們難以猜測，朝外之人感到很驚恐。以前賊寇叛逆專橫暴虐，當然應該用嚴厲的威邢來制服他們;但如今天下既已平定，希望您能以寬容理政，如能使犯罪的人服罪無怨言，爲善的人不感到驚恐，那就能稱得上寬容了。”自此年秋冬以來，李炎開始患病，但道士聲稱這是成仙前的“換骨”。李炎隱瞞患病之事，外臣只是奇怪他很少進行遊獵，宰相入朝奏事也不敢停留太久。同時，李炎又下詔停罷第二年元旦的大朝會。
會昌六年(846年)二月，鑑於党項部落屢次擾邊，李炎任命夏州節度使米暨爲東北道招討党項使，決意派兵征討。三月一日(846年3月31日)，久病未愈的李炎認爲漢朝屬火德，光武帝劉秀因而改洛陽的“洛”爲“雒”;唐屬土德，不可以王氣勝過君主之名，於是正式下詔改名爲李炎(瀍的偏旁從“水”，唐的“土”德剋制“水”;改名從“火”的炎，“火能生土”，便可以“以君名生王氣”)。而自正月十三日起，李炎就不再上朝視事，宰相求見，也不獲允許。朝廷內外都深感憂懼。不久後，李炎的病情迅速惡化，以至十來天說不出話來。三月二十三日(846年4月22日)，李炎在長安大明宮崩駕崩，年僅三十三歲。
同日，由左神策軍護軍中尉馬元贄等擁立的光王李忱即位，是爲唐宣宗。李炎成爲唐朝自太宗、憲宗、穆宗之後，又一位因爲服食仙丹妙藥而死的皇帝。八月，獲諡號爲至道昭肅孝皇帝，廟號武宗，葬於京兆府三原縣的端陵。
