乾符五年（878年）正月，唐朝招讨副使曾元裕率领官军主力，在黄梅（今湖北黄梅）追上了王仙芝的起义军。曾元裕是晚唐少有的“务实将领”，他不像宋威那样“贪功冒进”，而是采取“稳扎稳打，围而不攻”的战术。他先派轻骑兵切断了起义军的粮草供应，又在起义军的营地周围挖了壕沟，防止他们突围。起义军被困在营地中，没有粮食，只能吃树皮、草根，有的士兵甚至饿死。
正月初六，曾元裕见起义军已“粮草断绝，士气崩溃”，便下令发起总攻。官军分为三路，从东、南、北三个方向进攻起义军的营地，而西面则是波涛汹涌的长江，起义军已无退路。战斗打响后，起义军将士虽然拼死抵抗，但终究寡不敌众，且缺乏粮草，体力不支。李罕之率领一部分士兵冲向官军，却被箭射中，倒在地上，他挣扎着站起来，又杀死了几个官军，最后力竭而亡。
王仙芝亲自率领精锐部队冲锋，试图打开一条突围的道路。他手持长枪，杀死了数十名官军士兵，身上也多处受伤，鲜血染红了战袍。一个官军将领认出了他，大喊：“抓住王仙芝有赏！”顿时，无数官军围了过来，长枪、大刀纷纷向王仙芝刺去。王仙芝奋力抵挡，却还是被一把长枪刺穿了胸膛。他倒在地上，看着越来越近的官军，用尽最后一丝力气，喊道：“兄弟们，继续反唐，不要投降！”随后，便闭上了眼睛，年仅四十余岁。
官军杀死王仙芝后，割下他的首级，送往长安示众。唐僖宗得知王仙芝战死的消息后，大喜过望，下令“大赦天下，庆祝胜利”，还将曾元裕升任为招讨使，接替宋威。长安城内张灯结彩，官员们互相庆贺，仿佛已经平定了所有叛乱。但他们不知道，王仙芝虽然死了，他点燃的反唐星火，却并未熄灭。
起义军的残部，一部分溃散逃亡，一部分则辗转投奔了黄巢。他们将王仙芝的死讯告诉黄巢后，黄巢悲痛不已，下令为其哀悼三日。在哀悼仪式上，黄巢站在高台上，对众人说：“王大哥虽然死了，但他的志向还在！我们要继承他的遗志，继续反唐，直到推翻这个腐朽的朝廷，让天下百姓过上好日子！”随后，黄巢接过了王仙芝的反唐大旗，率领起义军继续抗争。后来，黄巢率领起义军转战南北，最终在广明元年（880年）攻克长安，推翻了唐僖宗的统治，建立了“大齐”政权，实现了王仙芝未竟的心愿。
王仙芝的起义，从乾符元年（874年）十一月举旗，到乾符五年（878年）正月战死，前后仅持续了四年，最终以失败告终。但这位“唐末农民起义的揭旗者”，却在中国历史上留下了深刻的印记。
他提出的“天补平均”口号，是中国农民起义思想的重大突破。在此之前，农民起义多以“反抗暴政”为目标，而王仙芝首次将“平均贫富”作为核心主张，直指封建社会的根本矛盾——贫富分化。这一口号不仅在当时点燃了底层百姓的反抗怒火，也为后来的农民起义提供了思想借鉴：南宋的钟相、杨幺起义提出“等贵贱，均贫富”，明末的李自成起义提出“均田免赋”，都能看到“天补平均”思想的影子。
他的起义揭开了唐末农民战争的序幕，动摇了唐朝的统治根基。虽然他本人战死，但他点燃的反唐星火，被黄巢继承并扩大，最终让唐朝走向灭亡。经过王仙芝、黄巢起义的打击，唐朝的统治已名存实亡：中央失去了对藩镇的控制，宦官与藩镇互相残杀，百姓流离失所，最终在天佑四年（907年），被朱温篡夺政权，唐朝灭亡。可以说，王仙芝的起义，是唐朝灭亡的“第一推动力”。
他的起义也沉重打击了晚唐的腐朽势力。起义军所到之处，杀死了大量贪官污吏、地主豪强，剥夺了他们的财产，将土地分给农民。这种“杀富济贫”的做法，在一定程度上缓解了晚唐的社会矛盾，也让统治阶级意识到“若不改革，必遭灭亡”——虽然唐朝最终未能改革，但这种冲击，为后来五代十国乃至宋朝的社会变革，埋下了伏笔。
当然，王仙芝的起义也存在明显的局限。他缺乏坚定的反唐意志，在招安问题上的动摇，导致起义军分裂，错失了推翻唐朝的最佳时机。起义军缺乏先进的组织制度，大多是“饥民聚集而成”，没有统一的纪律、统一的战略，作战多凭“一腔热血”，一旦遇到挫折，很容易溃散或投降。而且，起义军没有建立稳固的根据地，始终处于“流动作战”的状态，缺乏稳定的粮草供应，这也是他们最终失败的重要原因。
历史上对王仙芝的评价，历来存在争议。《旧唐书》《新唐书》等正史，将他称为“贼”“盗”，认为他的起义是“扰乱天下，导致生灵涂炭”；而近代以来的历史学家，如范文澜、翦伯赞等，则认为他是“伟大的农民起义领袖”，肯定他反抗腐朽统治、追求“平均”的进步意义。但无论如何，在晚唐那个黑暗的时代，王仙芝是第一个挺身而出的“揭旗者”，他为底层百姓发出了抗争的呼声，为后来的反抗者点燃了希望的火种。
如今，在王仙芝的故乡濮州，以及他战斗过的