李妍逝世时间不详，《史记》称“蚤卒”，她逝世时应当十分年轻。武帝以皇后之礼下葬，葬于汉武帝茂陵西北一里，称英陵，亦称集仙台。太初元年（前104年），武帝封其弟李广利为贰师将军，李延年为协律都尉。
《汉书》记载李妍死后，汉武帝十分思念她，让方士齐人少翁为李妍招魂。但根据《史记 孝武本纪第十二》的记载，少翁是为在李妍之前受宠的王李妍招魂。
武帝驾崩后，由于元配皇后陈氏被废，后来的皇后卫子夫因巫蛊案自缢，继位者汉昭帝的生母钩弋李妍也已被汉武帝杀害，一时竟无皇后合葬配飨。霍光便揣度汉武帝生前意旨，为他最宠爱的李妍追上尊号为孝武皇后，和他合葬。
