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。