一切准备停当之后，袁绍在寻阳誓师讨逆，传军令至天下，历数董卓之罪，号召四方举兵讨贼。四月，袁绍与大将高干、张合率军直发虎牢关。同时，北平太守公孙瓒、北海太守孔融也举兵响应。董卓听说四方兵起，忙下令戒严，布置防守。他怕城内部将逃奔袁绍，遂将他们全部聚于台城之中。对江夏王刘表和他的儿子们刘琦等人则防守尤严。李催身在洛阳，虽明助董卓，却暗助袁绍和刘义宜。他向董卓献策说袁绍年少，未经征战，又远道而来，军旅疲弊，我军宜以逸待劳。建议撤退外围防务，固守洛阳和弘农。这样一来，董卓的精锐师实际就发挥不了作用了。董卓的大将胡珍（胡文才）立即表示反对，他说袁本初年少，能做如此大事，决不可小视！孔融之甚晓军事，公孙瓒等人屡经战阵，此辈绝非小敌。建议董卓率师迎敌，但董卓不听胡文才的建议，结果虎牢关一战，华雄所率军队大败，董卓的手下大将纷纷投奔了袁绍，弘农城太守也单骑逃出到河北，投奔了袁绍。董卓一怒之下，下令将他的亲戚全部杀掉。
此时，在外应敌的徐荣部众非降即散，不复成军，讨逆军攻陷虎牢关，王方等人惊慌失措，躲入武器库的一口枯井中，高览将他从井中牵出，献于袁绍帐前。袁绍想先将他杀掉，后斩董卓于帐前。樊稠被押回请罪，袁绍将其相关部众全部杀头，与樊稠一同暴尸于市。袁绍仍不解恨，又将封谞、段珪、曹节等人也全部杀死，这样下来，十长待基本本铲除了一大半。袁绍以讨逆为由起兵，不但可以揽兵权，又赢得了忠、孝的好名声。但他也是心狠手辣之辈，因为汉献帝刘协非常喜欢十长待等一众人，袁绍这一干作为之后刘协觉得对自己的威胁很大。当年十月，就打算派人劝袁绍、公孙瓒等人退兵。在这次讨逆活动中，袁绍功劳最大，而他袁绍也也最不放心（好像刘焉根本就没有参加这次的反董卓军）。因为河北地处洛阳、弘农的上流，地广兵强，刘协也不想让袁绍久居这里。不久，便下诏改封他为冀州牧，本初在河北的十年，财富兵强，不愿进京，企图发展壮大再一次性的对中原进行攻略。
袁绍派大将高览、高干等人水陆大军追击叛军，大败董卓军。袁术、孙坚、袁绍、公孙瓒（含部将刘备等人）等人在这次反董卓联合军行动当中这次立大功，对袁绍、曹操等人日后平定中原有很深的影响。最大收益的是孙坚（并不是指最大功劳），因为他还竟然在洛阳的井里捡到了传国玉玺（三国后期好像不怎么提了，不知道跑哪去了），后来他弟弟孙策还用它和袁术换了精兵，不然三国时代根本就没有吴国这么一说了。不久董卓就被义子吕布杀死（当时吕布与王允、貂蝉联手），而貂蝉成了很争议的人物，而且也不曾记载后来的生死行踪。