就在张汤全力以赴追查淮南王谋反案全部涉案人员的同时，元狩元年初冬（前123年底）帝国相关执法机关的一次抓捕行动却叫他始料不及。

这次抓获一名叫陈喜的江都籍案犯，蹊跷的是，当时陈喜藏在衡山王刘赐之子刘孝府中，负责此次行动的官吏随即起诉刘孝窝藏淮南王谋反涉案人员。但刘孝并没有等到朝廷前来讯问，直接自首，承认自己参与谋反的经过并举报陈喜、枚赫两人。张汤已经见过太多意志薄弱的囚犯未经审理便自动交代罪行，但这次使得廷尉大为惊讶的并不是刘孝的惊慌失措，而是刘孝供出的竟然是其父衡山王刘赐谋反的事实。

刘孝的表现实在叫世人哀叹高帝刘邦的子孙堕落不堪，祖宗逐鹿天下时的胆略早已在四代传承之后被稀释殆尽。张汤即使以酷吏名世，但他面对刘孝的供状也未必能够心静如水。此案的严重程度与淮南王一案完全等同，衡山王刘赐乃是淮南厉王刘长次子、淮南王刘安亲弟，同样是高帝刘邦亲孙、武帝堂叔的高贵血统。而案情所及又是帝国第一重罪——谋反。如果说淮南王一案尚能使得张汤能够从严酷的执法中获得一点维护帝国、效忠武帝的成就感的话，那么连续审理类似案件就绝不再是一件值得庆幸的事情。无论如何，张汤因职责所在必须彻查此案，审理从刘孝自首的动机入手。

刘孝自首的原因在于两个方面，其一是他的门下宾客陈喜已被抓捕；其二是他早已知道，衡山国太子刘爽亦即他的哥哥，在元朔六年（前123）指使一个叫做白嬴的人向朝廷上书。这两件事情特别是陈喜被捕彻底摧毁了刘孝的意志，他担心陈喜会告发自己谋反之事，也担心刘爽上书同样是告发自己谋反。按照本朝法律“先自告除其罪”，为了活命他便选择了自首。

白嬴上书之事虽然并未交由廷尉审理，但张汤必定知道此事。先是衡山王刘赐上书朝廷，请求废掉太子刘爽，改立其另外一位儿子刘孝为太子。紧接着就是衡山国太子刘爽派白嬴到京师长安上书朝廷，告发其父衡山王刘赐与其弟刘孝谋反，而且刘孝与父王爱妾私通、不孝。白嬴抵达京师后尚未上书朝廷就已经被当做淮南王一案的嫌疑犯被捕，他在狱中递交上书从而完成了自己的使命。第三个回合是衡山王刘赐知晓此事后再次上书朝廷，控告刘爽忤逆不道。朝廷将此案转交沛郡审办。

白嬴之案尚未完结，就又出现了刘孝的主动供认不讳，张汤将两个案件的卷宗调到一起互相比对，很快就弄清楚了事情的来龙去脉。

衡山王刘赐原本与其兄淮南王刘安不合，后来又约定共同起兵谋反。不过，刘赐的志向并不在帝位与天下，他担心刘安起兵之后会首先吞并衡山国，之所以参与谋反意图不过是拥兵自保。再者，元光六年（前129）衡山王入朝天子，一名随行谒者意打算乘机上书武帝，得到效命天子的机会。衡山王对这样的背叛行为无法容忍，就想要捏造罪名陷害这名谒者。主管民政的衡山内史拒绝执行，衡山王于是一并陷害内史。内史上书朝廷指衡山王所行不端，在其国内抢占民田、毁坟开荒，有关部门奏请武帝逮捕衡山王治罪。武帝没有同意，但还是下令削弱了衡山王的人事权力。按规定，诸侯王有权任免国内四百石以下级别官吏，四百石以上由朝廷任免，现在，衡山国二百石以上级别官员都由朝廷任免。衡山王因为此事对朝廷极为不满。