190年，孙坚率军继续北上，到达了南阳和豫州交界处的鲁阳（今河南鲁山），和客居南阳的袁术相遇了。两人相见恨晚，马上结为同盟，袁术还上表朝廷，表奏他为破虏将军，兼领豫州刺史。于是，孙坚就在鲁阳休整部队，厉兵秣马，准备进军讨伐董卓。一天，孙坚在城外拉起帐幕，为前往送粮的长史公仇称饯行。当时，官员聚会在台上，士兵陈列在台下。突然间，董卓数万步骑兵奔到城前，准备向孙坚发起进攻，情况十分危急。孙坚在大敌压城面前，笑谈自若，继续与将领们饮酒作乐。后见董卓人马越来越多，才慢慢站起，引导部队秩序井然地入城。董卓官兵见孙坚队伍齐整，若无其事，以为必有大军埋伏，不敢攻城，引兵撤退。孙坚以其智勇，笑谈之间，退却数万敌兵。
董卓对长史刘艾说：“关东的叛军屡败，都畏惧我，不会有什么作为。只有孙坚有点不知死活，挺会用人，应该告诉诸将，让他们知道提防。我从前与周慎到金城郡西征边章、韩遂，我向张温请求率领部下做周慎的后援，张温不同意。张温又派我去讨伐先零的叛乱羌人，我知道不能取胜，但又不能不去，于是出发，留下别部司马刘靖率领四千步、骑兵驻在安定，作为呼应。羌军想切断我的归路，我只作轻微攻击就冲开了阻截，这是因为他们害怕安定的驻军。羌军以为安定会有数万大军，不知只有刘靖一支部队。孙坚随周慎作战，向周慎请求先率一万人前往金城，让周慎率二万人为后援。边章、韩遂害怕周慎的大军，不敢轻易与孙坚开战，而孙坚的军队足以切断他们的粮道。假如周慎那帮小子能用孙坚的计谋，凉州或许能够早已安定。而张温既不能听从我，周慎又不能听从孙坚，最后只能战败而退走。孙坚当时只不过是个佐军司马，见解却与我大致相同，确实是可用之才。”
刘艾说：“孙坚虽然时出奇计，但到底不如李傕、郭汜。听说他在美阳亭北，率领一千多人与李、郭合战，差一点丢了命呢！”董卓说：“孙坚当时率领的是乌合之众，兵不如虏精，且战有利钝，不可完全以成败论。不过，这回他跟从诸袁小儿，倒真是自寻死路了！”董卓还说，“只要杀掉二袁、刘表、孙坚，天下自然会服从我！”
后来董卓知鲁阳空城，自己被孙坚诈退，恼羞成怒，欲与与十八路诸侯决战于虎牢关下。虎牢关，又称汜水关，在洛阳以东，荥阳市汜水镇西，因传闻周穆王曾将进献的猛虎圈养于此而名虎牢。荥阳地貌属半丘陵形，道路崎岖，两旁土山耸立，几近十丈，处处皆为埋伏士兵的好地方。守兵居高临下，十倍之敌亦无他法。这里秦置关、汉置县，以后的封建王朝，无不在此设防。虎牢关南连嵩岳，北濒黄河，山岭交错，自成天险，大有一夫当关，万夫莫开之势，为历代兵家必争之地。
第一日，董卓派都督华雄搦战，上党太守张杨手下大将穆顺策马迎战，被华雄一槊挑于马下，关东军哗然。王匡手下方悦不服，上前迎战，亦被戳死，关东军畏惧，于是商议退兵。正在此时，孙坚手擎真天狼剑拍马而出，关东诸军这才松了口气。期间关羽、张飞皆跃跃欲试，刘备不允二人出战，刘备还在等真正的对手，他在等可以一战成名的对手。
孙坚势大力沉，大开大合，华雄唯有招架，没有反手之力。又是惊天一刀，劈在华雄举起的马槊之上，只见槊成两段，人成两截。西凉军见华雄突然身死，形势逆转，纷纷转身回关，争相恐后，踏死者不计其数。
却说华雄手下败军，报上关来。李肃慌忙写告急文书，申闻董卓。卓急聚李儒、牛辅等商议。李儒说：“今失了上将华雄，贼势浩大。袁绍为盟主，绍叔袁隗，现为太傅；倘或里应外合，深为不便，可先除之。请丞相亲领大军，分拨剿捕。”董卓同意李儒的说法，命令李催、郭汜领兵五百，围住太傅袁隗（字次阳，袁绍之叔）家，将袁隗以及在京师的袁氏宗族不分老幼全部给杀了，董卓又将袁隗首级去关前号令。
董卓见孙坚骁勇，于是派遣大将李傕（字稚然，北地郡泥阳县，今陕西省耀县人）为说客出使反董联军的孙坚军中，表示愿与孙坚结成儿女亲家，并要孙坚把他子弟中想做刺史、太守的，开列一个名单，由他推荐任用。孙坚说：“董卓逆天无道，我今天要是不能灭你三族，昭示天下，则我死不瞑目，怎会与你结亲！”孙坚继续进军，抵达距洛阳九十里的大谷。董卓亲自引兵与孙坚在诸陵园之间交战，结果遭到孙坚重创，他留下吕布掩护，自己转守渑池和陕城。孙坚挥兵，进攻洛阳，与吕布接战，吕布与之一触即走，孙坚大军进入洛阳。
当时洛阳空虚，民皆疲敝，到处都是董卓破坏后的痕迹。孙坚入城，见此惨状，无限惆怅，潸然泪下。他命令部队清扫汉室宗庙，用太牢之礼祭祀。一个偶然的机会，孙坚得到了汉王朝的传国玉玺。玺方圆四寸，上纽交五龙，缺一角，上有文字“受命于天，既寿永昌。”因为世道混乱，汉帝不在身边，诸侯之间又各怀鬼胎，于是孙坚是冒着杀身之祸秘密收藏起了玉玺，不希望其落入奸臣之手，等迎回汉帝后亲自上交。孙坚整饬部队，分兵出新安、渑池间进击董卓。为防孙坚再来追击，董卓派东中郎将董越驻守渑池（今三门峡），中郎将段煨（汉末名将，武威人）驻守华阴，中郎将牛辅驻守安邑（今山西夏县），其余的将领分布各县，以确保洛阳被攻破后不会被直抵长安。
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