在与董卓表面敷衍的同时，王允暗中积极组织和筹备反董卓的斗争。王允首先与司隶校尉黄琬、尚书郑公业等人共同商议诛杀董卓的计策。
为了控制一定武装力量，王允等人极力向皇上推荐、保举羌校尉杨瓒行使左将军的权力；同时还举荐执金吾士孙瑞担任南阳太守，掌握一定的地方势力，并且命令他借讨伐袁术为名，带领兵马出道武关，实则为多路夹击董卓作准备。
士孙瑞的行动引起了董卓的怀疑，他决定把士孙瑞留在都城。王允听说后，便顺从董卓的意思，擢升士孙瑞为仆射。另外又擢升杨瓒为尚书，为最后反击董卓作准备。
董卓封王允为温侯，食邑五千户。王允想拒绝，士孙瑞对他说：“在大事没成功之前，不能有丝毫破绽，您与董卓加官进爵，朝廷百官都瞻仰您的崇高品节，何乐而不为呢？不要因意气而误了大事啁！”王允一听有道理，便受命听封。
天下遭受严重的自然灾害，连续下了两个多月的雨。王允和士孙瑞、杨瓒等人借登台祭祀乞神降雨之机，紧急商议谋杀董卓的行动方案。
士孙瑞严肃地对他们说：“自从去年岁末以来，太阳阴晦不照，淫雨连绵不断，这种暗无天日的日子应该有个尽头。
现在我们时机已基本成熟，如果不把握天机，先发制人，恐怕以后后患无穷啊！请你们认真考虑考虑。”王允很赞同士孙瑞的意见，决定伺机尽早行动，以图董卓。
可是，董卓爪牙密布，戒备森严，而且他本人力大无比，凶残毒辣，如果不采取万全之策，一旦失手，恐怕后果难以设想。
王允提议，可以安插内应，里应外合，杀他个措手不及。王允获悉董卓与他的心腹吕布之间存在很深的矛盾，便秘密召见吕布。正好吕布也有反董卓之意。
于是，王允便把诛杀董卓的计划全部告诉吕布，并委他作内应。起初，吕布碍于自己是董卓的义子，不便在内部亲自下手。
王允对吕布说：“你姓吕，奸贼姓董，父子只是名义上的，并非骨肉亲情，况且董卓现在已是众叛亲离，你难道还认贼作父吗？你当他为父亲，平时他待你是儿子吗？”
吕布与董卓爱妾私下来往亲密，怕董卓发现报复，于是便答应下来。
这年四月，正当王允等人准备采取行动的时候，正逢天子大病初愈。朝廷百官在未央宫集合，恭祝天子龙体安康。
事前，吕布派同郡骑都尉李肃等人带领十多名心腹亲兵，穿上宫廷侍卫的服装，潜伏在宫殿侧门两边。当董卓大摇大摆地出现在侧门外时，立即遭到潜伏在门后的李肃等人的突然袭击。
董卓急呼吕布，吕布手捧圣旨，大呼：“奉旨杀贼！”董卓在绝望中被吕布所杀，并且株连三族。
董卓被杀，朝廷上下一片欢腾。董卓祸国殃民的行径，激起了天下人们的极度痛恨，铲除董卓，不仅顺应时代潮流，而且合乎天下民心。
不仅仅只在于谋杀董卓一名国奸臣，而且还深刻影响着东汉末年的历史进程。司徒王允，用自己对朝廷的赤诚和一身正气赢得了铲除董卓斗争的胜利和世人的称赞。
董卓被杀后，王允“录尚书事，总朝政，遣使张种抚慰山东”。
作为诛杀国贼的首要功臣，王允自然少不了朝廷的嘉赏和广大人民的称赞。于是，王允态度开始发生改变，似乎有些飘飘然起来：
“连董卓这样不可一世的大奸贼都死于我的手下，我还有什么可惧怕的呢？”他便对任何人、任何事情都无所谓，毫不在乎，甚至居功自傲。“
及在际会，每乏温润之色，杖正持重，不循权宜之计，是以群下不甚附之。”每当群臣集会，王允很少像以前那样和大家推心置腹，共同商讨权宜之计，而是正襟危坐，面无和悦之色。慢慢地，群臣也不再像以前那样推崇和拥护他了。
蔡邕曾是董卓的旧臣，当听到董卓被杀的消息时，蔡邕正好和王允在一起。当时，蔡邕感到很突然，不禁脸色大变，不由自主地发出一声叹息。王允勃然大怒，严厉指责蔡邕：
“董卓是国家的罪人，祸国殃民的罪行不可饶恕，你身为天子臣民，应该从大局考虑，从国家出发，共同声讨国贼，不想你念及他对你的一点私人恩惠，竟然为他感到痛惜，这难道不是与董卓同一鼻孔出气吗？”