武帝对陈皇后的宠爱也慢慢衰退，王太后对武帝说：“你刚即位不久，大臣们尚未归附于你，之前商议兴立明堂的事情，已经惹怒太皇太后，如今又不顺从长公主，必定会受到重责。妇人的性情是很容易高兴的，你应该慎重思考该怎么做！”于是，武帝对窦太主与陈皇后母女俩，稍加以恩礼相待。
汉武帝的姐姐平阳公主，献歌女卫子夫以充后宫，陈皇后听说卫子夫得到天子临幸之后，非常气愤，数次寻死觅活，武帝也愈加对皇后不满。
卫子夫因被武帝宠幸而怀有身孕，而此时陈皇后却因为没生孩子，而妒忌卫子夫。陈后的母亲大长公主听说后，心疼自己的女儿，亦妒忌卫子夫，策划抓捕卫子夫当时并未知名的弟弟卫青，欲将其杀害，后卫青得其友公孙敖相救免于一死。
随着卫夫人的尊宠一天胜过一天，并为汉武帝生下三个公主，而陈皇后十余年里，却一直未能生育，其外祖母窦太皇太后也去世了。
为了稳固后位，在女巫楚服的帮助下实行巫蛊，后来事情被发现，武帝下令严查此事。
当时，御史大夫张欧，有一位下属侍御史名叫张汤，他深入案情，追查出楚服等人为陈皇后施巫蛊之邪术，祝告鬼神，祸害他人，属大逆无道之罪。最终处巫者楚服斩首于市，与此案有牵连者且被诛杀者三百余人。
汉武帝命有司赐皇后一道策书：“皇后不守礼法，祈祷鬼神，降祸于他人，无法承受天命。应当交回皇后的玺绶，离开皇后之位，退居长门宫。”至此，居皇后之位11年的陈皇后，被废黜。
陈皇后被废后，居住在长门宫中，陈皇后的母亲窦太主感到羞惭恐惧，向武帝叩头请罪。武帝说：“皇后的行为不符合大义，不得不把她废黜。你应该相信道义而放宽心怀，不要轻信闲言而产生疑虑和恐惧。皇后虽然被废了，仍会按照法度受到优待，居住在长门宫与居住在上宫并无区别。”
陈后的父亲堂邑侯陈午去世，大长公主也跟着去世，又过了几年，陈皇后也在长门宫去世，逝后葬在霸陵郎官亭东面。
