189年9月，董卓廢少帝劉辯立陳留王劉協為帝。同時，董卓亦自封為太尉、領前將軍事、郿侯。此時，曹操、袁紹、袁術等皆已逃離洛陽，並號召州郡討伐董卓。於是，東郡太守橋瑁率先向天下發布檄文。190年，關東諸侯推舉四世三公的袁紹為盟主討伐董卓。聞聽關東諸侯討伐，董卓隨即做了防守措施。
洛陽，北與太行山隔黃河相望，東、西、南三方分別被嵩山、崤山、伏牛山包夾。作為中國地理第二階梯與第三階梯的結合點，洛陽對東方的黃淮海大平原有著天然的優勢。和關中平原一樣，洛陽四周雖然被群山圍繞，卻仍然有類似函谷關一樣的對外連接通道，這就是歷史上有名的洛陽八關：函谷新關、伊闋關、廣成關、大谷關、軒轅關、旋門關、孟津渡、小平津渡。
當時關東諸侯針對董卓的防守以及洛陽之地天然的缺陷，採取了四面威逼的戰略。分別封堵了洛陽對外聯絡的三大交通線：河內、酸棗、潁川、魯陽。面對關東諸侯二十餘萬優勢兵力的討伐，董卓頗不自安。但是面對西涼軍強大的戰鬥力，關東諸侯採取了坐等待變的戰略。同年，董卓有感於自身兵力不足，便打算遷都關中長安，用關中地區易守難攻的地理優勢抵消關東諸侯的威脅。
這時，關東諸侯裡面的明眼人曹操一眼瞧出了董卓的破綻。隨即，曹操建議袁紹趁機追擊董卓。可是關東諸侯對曹操的建議置若罔聞，根本不予理睬。曹操大怒，便親自領兵追擊。曹操軍隊多為新兵和宗族賓客組成，不僅缺乏鍛鍊，士兵人數亦十分少。滎陽汴水一戰，曹操險些戰死，狼狽逃回酸棗大營後，卻看見關東諸侯正在置酒高會。曹操再一次建議關東諸侯，「請袁渤海領河內部眾兵臨孟津渡，餘下酸棗群雄進軍成皋，控制敖倉、軒轅、太古一線。同時，再請袁術將軍率南陽精銳經丹水，入武關逼迫關中長安。如此，董卓必不會長久。」此時的關東諸侯人人心懷鬼胎，皆願漢朝倒台以求割據一方。一氣之下，曹操離開酸棗。不久後，酸棗大營糧草耗盡，關東諸侯紛紛作鳥獸散。
同年冬，孫堅率兵北上支援駐防在魯陽的袁術，袁術隨即將魯陽交給了孫堅，自己回到南陽專職為孫堅供應糧草。此時，董卓見關東諸侯人心離散，首先集中兵力對準了關東諸侯南北領導中心袁紹、袁術兩軍。孫堅屯兵魯陽後，正在宴飲時，突然遭到董卓大軍包圍，好在孫堅戰鬥經驗豐富，很快瓦解了董卓軍的攻擊。但袁紹駐防在河陽津的新兵卻遭到了董卓軍隊的偷襲而損失慘重。次年春，孫堅發兵北上攻擊董卓軍控制的洛陽。幾經交戰，董卓軍隊潰敗，孫堅趁機突擊，陣斬董卓大將華雄。隨後，孫堅一路兵進洛陽，一路快速突進至新安、澠池之間截斷董卓敗軍退路。正在孫堅與董卓激戰之時，袁術擔心孫堅獨成大功，便切斷了孫堅需要的糧草，孫堅無奈敗退。
董卓敗退之後，擔心關東諸侯乘勝追擊，乃調法部將分別據守澠池、華陰、安邑以防備關東諸侯。此時的袁紹發現袁術勢力發展到了洛陽一帶，形勢對袁紹不利。隨即，袁紹走上了北上兼并韓馥、公孫瓚的擴張道路。至此，關東諸侯討伐董卓之戰以失敗告終。