甘露二年(2 57年)，親曹氏的征東將軍諸葛誕採取連結東吳，以逸待勞，拒守揚州(治壽春，今安徽壽縣)的方略，起兵反司馬昭。司馬昭親率六軍征討，駐軍丘頭，由陳泰總管行台(即總指揮部)。陳泰自幼與司馬師、司馬昭為友，與沛國武陔的關係也很好，司馬昭問武陔：“玄伯何如其父司空也？”武陔說：“通雅博暢，能以天下聲教為己任者，不如也。明統簡至，立功立事，過之”(《三國志·魏書·陳泰傳》)。回京後陳泰升任司空，為三公之一，食邑二千六百戶。並賜子弟一人為亭侯，二人為關內侯。
甘露五年(260)，魏帝曹髦不能忍受威權日去，便親率殿中宿衛、蒼頭、僮僕等，欲攻打司馬昭。司馬昭即命親信賈充帶兵殺掉曹髦及其隨從。陳泰知道後，當即跑到現場，倒在地上，枕看曹髦屍體號哭盡哀。不久，司馬昭也來到現場，見此情景，便問陳泰：“玄伯，其如我何？”陳泰曰：“獨有斬賈充，少可以謝天下耳。”司馬昭：“卿更思其他。”陳泰曰：“豈可使泰復發後言。”因過於悲慟，當場吐血而死。
關於處的記載，史書莫衷一是。上述記載取自《魏氏春秋》。而《三國志·魏書·陳泰傳》並未有此記載，想必是作者有意而為。
乾寶所寫的《晉紀》記載如下：高貴鄉公之殺，司馬文王會朝臣謀其故。太常陳泰不至，使其舅荀顗召之。顗至，告以可否。泰曰：“世之論者，以泰方於舅，今舅不如泰也。”子弟內外鹹共逼之，垂涕而入。王待之曲室，謂曰：“玄伯，卿何以處我？”對曰：“誅賈充以謝天下。”文王曰：“為我更思其次。”泰曰：“泰言惟有進於此，不知其次。”文王乃不更言。文中沒有寫陳泰當場吐血而死。
《晉書·文帝紀》記載如下：帝召百僚謀其故，僕射陳泰不至。帝遣其舅荀顗輿致之，延於曲室，謂曰：“玄伯，天下其如我何？”泰曰：“惟腰斬賈充，微以謝天下。”帝曰：“卿更思其次。”泰曰：“但見其上。不見其次。”於是歸罪成濟而斬之。文中也沒有寫陳泰當場吐血而死。
司馬光在《資治通鑑·卷第七十七》記載如下：昭入殿中，召群臣會議。尚書左僕射陳泰不至，昭使其舅尚書荀顗召之，泰曰：“世之論者以泰方於舅，今舅不如泰也。”子弟內外鹹共逼之，乃入，見昭，悲慟。昭亦對之泣曰：“玄伯，卿何以處我？”泰曰：“獨有斬賈充，少可以謝天下耳。”昭久之曰：“卿更思其次。”泰曰：“泰言惟有進於此，不知其次。”昭乃不復更言。文中同樣沒有寫陳泰當場吐血而死。
所以對陳泰之死，只有《魏氏春秋》有此記載，而其他史書均未有陳泰之死的記載。
陳泰死後，被追贈司空，謚曰穆侯，子陳恂嗣。