、正義問題上，他仍堅持自己的意見。蓋勳是當時朝廷的正義之土，自從董卓亂政以來，蓋勳不畏強暴，一直與他進行尖銳的鬥爭。一次，董卓問王允：“不知誰最適合擔任司隸校尉？”王允回答說：“只有蓋勳最合條件。”雖然明知董卓與蓋勳之間矛盾很深，但是，出於正義，王允毅然推舉了蓋勳。 [25]
在與董卓表面敷衍的同時，王允暗中積極組織和籌備反董卓的鬥爭。王允首先與司隸校尉黃琬、尚書鄭泰等人共同商議誅殺董卓的計策。為了控制一定武裝力量，王允等人極力向皇上推薦、保舉護羌校尉楊瓚行使左將軍的權力；同時還舉薦執金吾士孫瑞擔任南陽太守，掌握一定的地方勢力，並且命令他借討伐袁術為名，帶領兵馬出道武關，實則為多路夾擊董卓作準備。士孫瑞的行動引起了董卓的懷疑，他決定把士孫瑞留在都城。王允聽說後，便順從董卓的意思，擢升士孫瑞為僕射。另外又擢升楊瓚為尚書，為最後反擊董卓作準備。 [6]
剷除董卓
初平二年（191年）十二月，董卓為跟隨獻帝入關的人封侯賜爵，王允被封為溫侯，食邑五千戶。王允想拒絕，士孫瑞對他說：“保持謙遜儉樸，也要取決於合適的時候。天子裂土封爵，是為酬賞有功之臣。您與董太師並位一同受封，而獨自堅守高節，這豈是韜光養晦、不露鋒芒的方法呢？在下實在認為不妥。”王允一聽有道理，便受封二千戶。 [7] [30]
初平三年（192年）春天，天下遭受嚴重的自然災害，連續下了兩個多月的雨。王允和士孫瑞、楊瓚等人借登臺祭祀乞神降雨之機，緊急商議謀殺董卓的行動方案。士孫瑞嚴肅地對他們說：“自從去年歲末以來，太陽陰晦不照，淫雨連綿不斷，這種暗無天日的日子應該有個盡頭。現在我們時機已基本成熟，如果不把握天機，先發制人，恐怕以後後患無窮啊！請你們認真考慮考慮。”王允很贊同士孫瑞的意見，決定伺機儘早行動，以圖董卓。可是，董卓爪牙密佈，戒備森嚴，而且他本人力大無比，兇殘毒辣，如果不採取萬全之策，一旦失手，恐怕後果難以設想。王允提議，可以安插內應，裡應外合，殺他個措手不及。王允獲悉董卓與他的心腹呂布之間存在很深的矛盾，便秘密召見呂布。正好呂布也有反董卓之意。於是，王允便把誅殺董卓的計劃全部告訴呂布，並委他作內應。起初，呂布礙於自己是董卓的義子，不便在內部親自下手。王允對呂布說：“你姓呂，奸賊姓董，父子只是名義上的，並非骨肉親情，況且董卓現在已是眾叛親離，你難道還認賊作父嗎？你當他為父親，平時他待你是兒子嗎？”呂布與董卓婢女私通，怕董卓發現報復，於是便答應下來。
這年四月二十三日辛巳，天子大病初癒。朝廷百官在未央宮集合，恭祝天子龍體安康。王允決定趁此機會行動，令士孫瑞書寫詔書交給呂布，呂布懷著詔書，派同郡騎都尉李肅等人帶領十多名心腹親兵，穿上宮廷侍衛的服裝，潛伏在宮殿側門兩邊。當董卓大搖大擺地出現在側門外時，立即遭到潛伏在門後的李肅等人的突然襲擊。董卓急呼呂布，呂布手捧聖旨，大呼：“奉旨殺賊！”董卓在絕望中被呂布所殺，董卓的主簿田景等三人撲向董卓屍體，也被呂布斬殺，在場的其餘人再也不敢動了。王允又遣皇甫嵩攻打郿塢，誅殺董卓三族。 [31-34]
董卓被殺，朝廷上下一片歡騰。董卓禍國殃民的行徑，激起了天下人們的極度痛恨，剷除董卓，不僅順應時代潮流，而且合乎天下民心。它的意義不僅僅只在於謀殺董卓一名國奸臣，而且還深刻影響著東漢末年的歷史程序。司徒王允，用自己對朝廷的赤誠和一身正氣贏得了剷除董卓鬥爭的勝利和世人的稱讚。
董卓被殺後，王允“錄尚書事，總朝政，遣使張種撫慰山東”。 [7]
居功自傲
作為誅殺國賊的首要功臣，王允自然少不了朝廷的嘉賞和廣大人民的稱讚。於是，王允態度開始發生改變，似乎有些飄飄然起來：“連董卓這樣不可一世的大奸賊都死於我的手下，我還有什麼可懼怕的呢？”他便對任何人、任何事情都無所謂，毫不在乎，甚至居功自傲。“及在際會，每乏溫潤之色，杖正持重，不循權宜之計，是以群下不甚附之。”每當群臣集會，王允很少像以前那樣和大家推心置腹，共同商討權宜之計，而是正襟危坐，面無和悅之色。慢慢地，群臣也不再像以前那樣推崇和擁護他了。 [8]
動畫版《三國演義》中的王允
當朝文學家蔡邕曾是董卓的舊臣，當聽到董卓被殺的訊息時，蔡邕正好和王允在一起。