永徽三年，薛万彻入朝，与房玄龄之子房遗爱关系密切，谈话中，薛万彻再次表示了对朝廷的抱怨，而且说：“今虽患脚，坐置京师，诸辈犹不敢动。”
房遗爱对他说：“公若国家有变，我当与公立荆王元景为主。”以推翻高宗李治的统治。
不久，事泄，薛万彻被捕，但拒不承认，后来房遗爱出面作证，薛万彻这才伏罪。
永徽四年二月初二，薛万彻被处斩，临行前，薛万彻大声说：“薛万彻大健儿，留为国家效死力固好，岂得坐房遗爱杀之乎！”
说罢，解开衣领对监斩官大声喊道：“亟斩我！”
刽子手惊悚，刀下无力，第一刀没有砍准，万彻大声呵斥：“何不加力！”
连砍三刀才斩下他的首级。
薛万彻的二哥薛万淑，也战功显赫，历任右领军将军、梁郡公、畅武道行军总管。
四弟薛万备随唐太宗征高丽，从万军阵中救出契苾何力，又随阿史那社尔进攻龟兹，因薛万彻受到牵连，流放交州。