189年9月，董卓废少帝刘辩立陈留王刘协为帝。同时，董卓亦自封为太尉、领前将军事、郿侯。此时，曹操、袁绍、袁术等皆已逃离洛阳，并号召州郡讨伐董卓。于是，东郡太守桥瑁率先向天下发布檄文。190年，关东诸侯推举四世三公的袁绍为盟主讨伐董卓。闻听关东诸侯讨伐，董卓随即做了防守措施。
洛阳，北与太行山隔黄河相望，东、西、南三方分别被嵩山、崤山、伏牛山包夹。作为中国地理第二阶梯与第三阶梯的结合点，洛阳对东方的黄淮海大平原有着天然的优势。和关中平原一样，洛阳四周虽然被群山围绕，却仍然有类似函谷关一样的对外连接通道，这就是历史上有名的洛阳八关：函谷新关、伊阕关、广成关、大谷关、轩辕关、旋门关、孟津渡、小平津渡。
当时关东诸侯针对董卓的防守以及洛阳之地天然的缺陷，采取了四面威逼的战略。分别封堵了洛阳对外联络的三大交通线：河内、酸枣、颍川、鲁阳。面对关东诸侯二十余万优势兵力的讨伐，董卓颇不自安。但是面对西凉军强大的战斗力，关东诸侯采取了坐等待变的战略。同年，董卓有感于自身兵力不足，便打算迁都关中长安，用关中地区易守难攻的地理优势抵消关东诸侯的威胁。
这时，关东诸侯里面的明眼人曹操一眼瞧出了董卓的破绽。随即，曹操建议袁绍趁机追击董卓。可是关东诸侯对曹操的建议置若罔闻，根本不予理睬。曹操大怒，便亲自领兵追击。曹操军队多为新兵和宗族宾客组成，不仅缺乏锻炼，士兵人数亦十分少。荥阳汴水一战，曹操险些战死，狼狈逃回酸枣大营后，却看见关东诸侯正在置酒高会。曹操再一次建议关东诸侯，“请袁渤海领河内部众兵临孟津渡，余下酸枣群雄进军成皋，控制敖仓、轩辕、太古一线。同时，再请袁术将军率南阳精锐经丹水，入武关逼迫关中长安。如此，董卓必不会长久。”此时的关东诸侯人人心怀鬼胎，皆愿汉朝倒台以求割据一方。一气之下，曹操离开酸枣。不久后，酸枣大营粮草耗尽，关东诸侯纷纷作鸟兽散。
同年冬，孙坚率兵北上支援驻防在鲁阳的袁术，袁术随即将鲁阳交给了孙坚，自己回到南阳专职为孙坚供应粮草。此时，董卓见关东诸侯人心离散，首先集中兵力对准了关东诸侯南北领导中心袁绍、袁术两军。孙坚屯兵鲁阳后，正在宴饮时，突然遭到董卓大军包围，好在孙坚战斗经验丰富，很快瓦解了董卓军的攻击。但袁绍驻防在河阳津的新兵却遭到了董卓军队的偷袭而损失惨重。次年春，孙坚发兵北上攻击董卓军控制的洛阳。几经交战，董卓军队溃败，孙坚趁机突击，阵斩董卓大将华雄。随后，孙坚一路兵进洛阳，一路快速突进至新安、渑池之间截断董卓败军退路。正在孙坚与董卓激战之时，袁术担心孙坚独成大功，便切断了孙坚需要的粮草，孙坚无奈败退。
董卓败退之后，担心关东诸侯乘胜追击，乃调法部将分别据守渑池、华阴、安邑以防备关东诸侯。此时的袁绍发现袁术势力发展到了洛阳一带，形势对袁绍不利。随即，袁绍走上了北上兼并韩馥、公孙瓒的扩张道路。至此，关东诸侯讨伐董卓之战以失败告终。