زمانى که عمرو در اسارت اسماعيل سامانى به سر مى‌برد، چند بار به سيستان نامه نوشت و درخواست کرد تا پولى را که براى آزادى او تعيين شده است بفرستند ولى اعتنائى به درخواست او نشد زيرا سپاهيان که از قبل نيز دل خوشى از عمرو نداشتند، مخالفان اصلى آزادى او بودند؛ چنانکه در مبارزه با سامانيان کوتاهى کرده و عقب‌نشينى نموده، پس از اسارت عمرو به‌جاى اقدام در جهت خلاصى او و قبل از روشن شدن تکليف او، فوراً با طاهر بيعت کردند ديگر اينکه خزانه را بر باد داده بودند. به همين علل، مى‌دانستند که عمرو پس از خلاصى درصدد انتقام از آنان برخواهد آمد بنابراين مانع از اقدامات طاهر و ديگران شدند. خليفه در تحويل عمروبن ليث اصرار ورزيد و فرستاده خليفه، اسناش، بدين منظور، نزد اسماعيل سامانى آمد. اسماعيل چندى وقت‌گذرانى کرد و به تسليم عمرو، رضا نداشت و مى‌گفت: ”نخواهم که زوال دولت شما بر دست من باشد“ (تاريخ سيستان؛ ص ۲۶۱ ). و چون درک کرد که اقدامى براى خلاصى عمرو از جانب ياران او نخواهد شد، او را به اسناش سپرد و باز جانب احتياط را رعايت کرد و از اسناش خواست تا با تأنى او را ببرد، شايد ياران او براى خلاصى او اقدام کنند. ولى ”هيچ‌کس اندر همه خراسان و سيستان نگفت که عمرو خود هست“ (تاريخ سيستان). بالاخره، عمرو را به بغداد بردند۱ او را بر روى شترى دو کوهان که از هداياى ارسالى خود او به خليفه بود از شهر عبور دادند، تا نزد معتضد رسيد. معتضد به او گفت: ”الحمدالله! که شر تو کفايت شد و دل‌ها از شغل تو فارغ گشت“ (زين‌الاخبار، ص ۱۴۵). عمرو مدتى در زندان خليفه بود و دربارهٔ مرگ او روايات گوناگونى وجود دارد:


- گفته شده وقتى معتضد در بستر احتضار افتاد و مرگ را نزديک ديد، چون قدرت سخن گفت نداشت با اشاره، دستور قتل عمرو را صادر کرد. شايد به سعايت اطرافيان که عمرو را خطرى بزرگ مى‌پنداشتند به اين عمل اقدام کرد.


- به گفته‌اى، وزير معتضد دستور او را دربارهٔ قتل عمرو اجراء نکرد يا فرصت اجراء نيافت. پس از معتضد، پسر او مکتفي، به خلافت رسيد و از زنده بودن عمرو اظهار خوشحالى کرد (وقتى حکومت رى را داشت، عمرو به او خوش‌خدمتى کرد و هدايائى فرستاد). وزير مکتفى قاسم‌بن عبيدالله از آزادى و حکومت مجدد عمرو بيمناک شد و دستور داد فوراً او را بکشند (تاريخ الامم و الملوک، ج ۱۰، ص ۸۸).


- چون معتضد وفات يافت، چند روزى عمروبن ليث فراموش شد و با گرسنگى درگذشت (تاريخ بناکتي، ص ۲۱۷، لب التواريخ، ص ۸۳).


(۱). مرعشى، تنها کسى است که مى‌گويد: اسماعيل‌بن احمد ساماني، عمرو را بگرفت و بکشت (تاريخ طبرستان، رويان و مازندران؛ ص ۲۹۹).