另一方面，孙坚由长沙北上，杀了荆州刺史王睿和南阳太守张咨后，终于与袁术会合，被表为破虏将军、领豫州刺史，部属袁术，准备北攻。冬天，孙坚派长史公仇称回州督促军粮，于城门东外设帐幔，邀请官属为仇称设宴送行。刚好董卓军数万步、骑突然出现，但孙坚仍在行酒令、谈笑自若，整顿部曲，命他们不可妄动。后来董军骑兵渐到，孙坚才起来，徐徐率军入城，对他们说：“我所以不立即起来走避，是怕士兵互相争先，令各人反而不能入城。”董卓军见孙军整齐，不敢攻打而归还。
后孙坚改屯梁东，而董卓派徐荣、李蒙四处掳掠，与孙坚在梁县发生遭遇战，孙军大败，孙坚与数十骑突围而走。因为孙坚喜欢用红色的头巾，被董军认出，便脱下来给了近将祖茂戴上，引开徐荣军骑兵，孙坚则由小路逃出。祖茂被敌军追得困迫，便下马将头巾放在一条烧过的柱上，自己则隐藏在草堆中。骑兵看见头巾，以为是孙坚，便将头巾重重围绕，到近看才发现是柱，便离去。
孙军大多兵将被俘，更以残酷手段所杀，如颍川太守李旻就被烹死，其他士卒则以布缠裹，吊起倒立到地，用热油灌杀。另外，屯兵河内的王匡亦派泰山兵屯河阳津，准备进攻，董卓便派出疑兵摆出要由平阴渡河，暗地里派遣精兵从小平北面渡河，绕过王匡军，在后方攻击，在津北大破王军，死者甚多。
韩馥惧怕袁绍危及自己，便一步一步减少对河内、酸枣联军的粮食输送，军粮耗尽后，联军各自回到守地，但各军仍保持盟友关系。同时，刘岱与桥瑁二人一向交恶，刘岱便杀了桥瑁，以王肱领东郡太守。而董卓见盟军撤退，便派韩融、阴修、胡母班、吴循、王瑰想与袁绍等人议和。众人到河内后，王匡告知袁绍，袁绍不答应，要王匡杀死胡母班、王瑰、吴循等。袁术亦杀了阴修，只有因韩融有德名以幸免。
袁绍与韩馥以献帝年幼，而且被董卓控制，相隔关塞，不知献帝是否平安为由，想立刘虞为帝，曹操拒绝参与，而袁术亦反对。袁绍又得到一个玉印，在座位中举向曹操手肘，暗示已经准备一切，可以立刘虞为帝，但曹操只是大笑，暗地里却对袁绍十分厌恶。不过袁绍仍与韩馥等仍于二月推举刘虞为帝，于是派张岐等邀请刘虞讨论事宜。
刘虞怒叱张岐：“现今天下大乱，国君失去政权。我受重恩，但未能清雪国耻。各位据有州郡，应一起合力，尽心为报王室，反而在造反谋反，是互取耻辱呀！”便坚辞不受，韩馥等又想请刘虞领尚书事，但刘虞仍拒绝，更斩杀使者，袁绍等唯有罢手。
同时，在二月孙坚收复散兵，屯兵阳人，董卓便派胡轸为大督护、吕布为骑督及其他多位都督，率五千步骑攻击孙坚。胡轸便扬言要斩杀一个长官，做为整肃军纪手段，各都督听到后都十分讨厌他。当到达离阳人城数十里的广成已是黄昏，兵马疲乏，又受董卓节度，便下扎喂马、休息，准备在夜里出发，次日早上攻城。各将领讨厌胡轸，想要破坏他的计划，吕布等便扬言阳人的士兵已走，应立即追击。胡轸立即出兵，但原来孙坚军已整顿守备，董军无奈，加上吏士饥渴，人马疲乏，唯有就地休息。吕布又大喊有人偷袭，全军混乱，弃甲逃走，骑失马鞍。逃出十多里外，才发现没有追兵，刚好天亮，便舍回兵器，想再攻城，可是军队已被孙军发现，加强了城池防守，胡轸等唯有撤退。孙坚出城追击，大败董卓军，斩杀都督华雄等人。
袁术见孙坚大败董卓军，有人便向袁术进言：“假如孙坚得到洛阳，便无法制衡他，这是除去狼而反招来虎呀。”
袁术心疑，便不运军粮给孙坚。孙坚便连夜赶回鲁阳，严辞切责袁术，袁术惭愧，立即调发军粮，孙坚亦回到阳人。董卓亦闻孙坚如此厉害，便派李傕游说孙坚和亲，更称可以令其子弟们担任刺史、郡守，但孙坚大骂董卓，一口拒绝。立即进军大谷，董卓亲自率兵与孙坚在先帝陵墓间发生战斗，董卓败走，移屯渑池，另在陕集兵。
孙军便进入洛阳宣阳城门，击退吕布。孙坚扫除宗庙，祭祀天地，分兵出函谷关，到新安、渑池防御董卓军。董卓对长史刘艾说关东军就只有孙坚才是值得注意，要各路人马留意。便留董越屯兵渑池，段煨屯兵华阴，牛辅屯兵安邑，其他将领留守各县，对制衡山东，自己则出发向长安。而孙坚修塞各陵后，便率军还鲁阳。洛阳因破坏严重，只成为董卓与关东军对抗的屯兵地方而已。虽然孙坚攻进了洛阳，但联军中的各群雄在这战役中大多都结下仇怨，由一起对抗董卓，转为开拓自己的领土，董卓讨伐战中在没有得到大的成果下，便告结束。
此次战役，虽然名义上是联合讨伐，实际各群雄却互相估量对手、保存自身实力，为此结下不少仇怨。联盟中两个最有人望的群雄袁绍、袁术反而是最先挑起内斗的人，袁绍首先用计夺取了韩馥的冀州，与公孙瓒开战。而袁术拥有南阳，与新任的荆州刺史刘表交恶，其麾下在讨伐董卓中威名远扬的孙坚在攻打刘表时中伏战死。其后袁家两兄弟决裂，形成中原混战。其后，曹操因私怨进攻徐州陶谦；刘岱、桥瑁、张杨等较弱势力也纷纷明争暗斗；及孙坚部下拥立孙坚长子孙策亦进攻江东各地，割据一方。由于朝廷名义上和实际上都已经被奸臣董卓控制，各地诸侯间公开的杀戮也已经无人能管束，甚至再也不需要假借任何名义，三国割据战乱弱肉强食从此全面展开。
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