公元651年(永徽二年),薛万彻被授宁州(治安定,今甘肃宁县)刺史。
公元652年(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。
公元653年3月16日(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!”
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(治交趾,今越南河内市西北)