西军连胜
虽然如此，联军仍畏惧董卓军强，所以不愿先行，只有曹操认为既然起兵讨董，就应有所行动，所以便率兵向西，准备进驻成皋，张邈亦派卫兹领兵随军。军到荥阳汴水时，遇上董卓大将徐荣，双方交战，曹军因兵少不利，曹操更被箭射中，坐骑也受伤。曹操堂弟曹洪将马给了曹操，曹操不接受，曹洪便说：“天下可无洪，不可无君！”便让曹操上马，自己徒步追从，趁夜逃走。而徐荣见力战了一日，以为酸枣难以攻取，便率领兵马回去。
曹操回到酸枣后，见联军虽有十多万人，但每日都只在设宴聚会，不图进取，曹操十分不满，便向他们进计：只要袁绍领河内兵到孟津，酸枣将领进驻成皋，占据敖仓，在轘辕、太谷建立营塞，控制险要，袁术则由南阳到丹、析，入武关偷袭关中，那时形势便可大定，又认为如果只是在此不图进取，只会失去天下名望，招来耻辱。但张邈等人不接受，曹操便带夏侯惇等到扬州（非今日之扬州市）募得千多兵，屯兵河内，转属袁绍。
另一方面，孙坚由长沙北上，杀了荆州刺史王叡和南阳太守张咨后，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：“向坚所以不即起走，恐兵相蹈藉，诸君不得入耳。（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，不敢攻势而归还。
后孙坚与颍川太守李旻改屯梁东，而董卓派徐荣、李蒙四出虏掠，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，在津北大破王匡军团，死者甚多。
联军内讧
后来，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：“今天下崩乱，主上蒙尘。吾被重恩，未能清雪国耻。诸君各据州郡，宜共戮力，尽心王室，而反造逆谋，以相垢误邪！（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，并且声言逃往塞外匈奴、鲜卑之地以自绝，袁绍等唯有罢手。
孙坚奋战
有人便向袁术进言：“坚若得雒，不可复制，此为除狼而得虎也（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）。”袁术见孙坚大败董卓军，遂心疑，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，严词拒绝。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。
孙坚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诸侯军就只有孙坚才值得注意，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，只能成为董卓与关东联军对抗的屯兵地。
虽然先锋队孙坚军攻进了洛阳，但联军中的群雄却各怀鬼胎，故意按兵不动，且饮酒作乐，作为先锋队的孙坚，始终得不到联军大营的支援，此时天下之势已经由一起对抗董卓，转为开拓群雄自己的领土，得知天下之势已经由群雄对抗董卓转为各自割据势力，在没有多大的成果下结束了董卓讨伐战。有史料记载率先进入洛阳的孙坚军拾获了传国玺，但后来被袁术夺取，作为称帝的凭据。
结果
此次战役，虽然名义上是联合讨伐，实际各群雄互相估量对手、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，曹操杀死王匡和因私怨进攻徐州陶谦；刘岱杀死桥瑁，张杨被南匈奴单于于夫罗胁持而脱离袁绍。其他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伐也已经无人能管束，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。
而董卓到了长安后，并没有减少恐怖的统治，反而变本加厉，进位太师，更欺压大臣、残杀百姓、奢侈挥霍、独裁凶残，令朝中大臣憎恨不已，司徒王允连同黄琬、尚书仆射士孙瑞、杨瓒等密谋要杀死董卓，连络上负责董卓警卫的中郎将吕布以及董卓部下的骑都尉李肃。初平三年四月辛巳日（192年5月22日），王允、吕布等人以皇帝诏书的名义，在未央殿掖门外杀死董卓，结束董卓的统治。但是董卓属下李傕、郭汜等人以为其报仇为名，很快率兵攻破长安，击败吕布，杀死王允，暴政比董卓执政时更甚。汉献帝被迫逃出长安，流离失所，最终投靠曹操，汉室名存实亡。
在整个战役中，曾与董卓军实际交战的只有曹操并与其亲善的鲍信和卫兹、与孙坚的军队，而在这十多股名义上参与了此次战役的势力中，也只有曹操和孙氏父子最终能在三国初期混战中生存下来而且独霸一方。