前往東邊勸解，兩人表面前去，實際卻召兵而回。王允又派董卓舊部將領徐榮與胡軫在新豐迎擊李傕、郭汜。結果徐榮戰死，胡軫率眾投降。李傕沿途收集部隊，到達長安時已有十多萬人，又與董卓的舊部樊稠、李蒙等人會合，一同攻打長安，圍城八日。 [43]
六月一日，呂布軍中的蜀兵反叛，引李傕軍入城，漢軍崩潰，呂布戰敗出逃，在青鎖門停住，招呼王允一同逃走。王允斷然拒絕，對呂布說：“如果天子祖先在天有靈，能賜福社稷，保佑我們的國家平安無事，我就心滿意足了。如果這一願不能實現，我願意獻出自己的生命，以死來報效朝廷。皇上年紀幼小，少不更事，只能靠我們來輔助他。國家遭受如此災難，如果棄下皇上，只顧自己逃命，我實在是不忍心。況且，我身為宰相，不僅不能使國家平安無事，反而導致逆賊的反叛，我的責任重大啊！請你出城以後，多多鼓勵關東豪傑，要常常念及皇上！”說完，便扶著漢獻帝逃到宣平城樓。 [11] [43-44]
王允問李傕等人：“臣子不能作威作福，你們卻縱兵胡為，是想要幹什麼？”李傕回答：“董卓忠於陛下，而無故被呂布殺害。臣等為董卓報仇，不敢作逆。等事情結束後，我們自會前往廷尉處受罰。”（一說是漢獻帝問李傕 [45]，另一說王允問後李傕並未回覆 [43]）於是大赦天下，拜李傕為揚武將軍，郭汜為揚烈將軍，樊稠等人皆為中郎將。李傕等人圍住門樓，共表請王允出來，又問：“太師何罪？”王允無奈，只得下樓。 [12] [43-44]
起先，王允提拔同郡人宋翼為左馮翊、王宏為右扶風。當時三輔地區兵多糧廣，李傕等想殺掉王允，害怕二郡為患。於是先徵召宋翼、王宏。等二人都到長安後，李傕於是逮捕王允及宋翼、王宏，把他們都處以極刑。王允時年五十六歲，他的長子侍中王蓋、次子王景、王定及宗族十餘人都被殺害，只有兄子王晨、王凌翻牆逃脫，回到鄉里。 [13] [46]
王允死後，“天子感慟，百姓喪氣”。 [14]王允的屍體被陳於市頭 [49]，沒有人敢靠近。王允的故吏平陵令趙戩主動棄官，為王允收屍下葬。 [50]
遷都許縣後，漢獻帝思念王允的忠貞氣節，便改用隆重的殯禮重新安葬王允，還特意派虎賁中郎將“奉策弔祭，賜東園秘器，賜以本官受綬，送還本郡”。後來，又封王允的孫子王黑為安樂亭侯，食邑三百戶。
王允的坎坷一生中，另有一件事情也值得提及：即他對漢代圖書、檔案等文化典籍的收集和保護。董卓遷都長安時，王允特意把蘭臺、石室兩個藏書館所藏的圖書和檔案全部收集整理，用箱子運往長安。“諸藏典策文章，寬共部散，其縑帛圖書，大則連為惟蓋，小乃製為滕囊。”後來，王允收集了漢朝其他書籍，一律上奏珍藏，“經籍具存，王允有力焉”。 [14]
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