Do có danh vọng lớn, anh em Viên Thiệu và Viên Thuật cùng được cất nhắc làm quan trong triều Đông Hán. Viên Thuật được quận Nhữ Nam cử làm Hiếu liêm, sau đó ông lần lượt giữ các chức vụ Trường Thuỷ hiệu uý, rồi Hà Nam doãn, Hổ bôn trung lang tướng, Hậu tướng quân.

Năm 189, Hán Linh Đế mất. Đổng Trác vào kinh đô Lạc Dương thao túng triều đình Đông Hán, phế Hán Thiếu Đế vừa lên ngôi, lập em Thiếu Đế là Hiến Đế còn nhỏ lên ngôi. Viên Thiệu vì xung đột với Đổng Trác nên bỏ trốn. Sau đó Viên Thiệu tập hợp chư hầu để đánh Đồng Trác nhân danh giúp nhà Hán. Viên Thuật cũng mang quân bản bộ đến hưởng ứng, cùng các chư hầu tôn Viên Thiệu là minh chủ.

Lúc đó thái thú Ngô quận là Tôn Kiên hưởng ứng các chư hầu, không mang quân đến họp nhưng cũng khởi binh đánh thẳng vào chỗ Đổng Trác ở Lạc Dương, trong khi các chư hầu còn ngần ngại chưa xuất binh. Ban đầu Viên Thuật ngại Tôn Kiên thắng lớn sẽ khó kìm chế nên định không tiếp lương cho Tôn Kiên, nhưng Tôn Kiên lấy danh chính giúp nhà Hán đòi hỏi, Viên Thuật buộc phải cung cấp lương. Nhờ đó Tôn Kiên đánh cho Đổng Trác thua bại, phải bỏ Lạc Dương mang Hán Hiến Đế chạy sang Trường An. Tôn Kiên mang quân vào chiếm Lạc Dương.