Trước sự chuyên quyền và tàn ác của Đổng Trác, Vương Doãn bất bình và mưu trừ khử. Ông từng bàn mưu với Tư không Tuân Sảng nhưng mưu sự chưa thành thì Tuân Sảng qua đời năm 190.

Vương Doãn lại cùng Bộc xạ Sĩ Tôn Thụy và con Trương Ôn - một đại thần bị Đổng Trác giết hại – là Trương Bá Thận mưu giết Đổng Trác nhưng chưa có thời cơ thuận lợi.

Giữa lúc đó, mâu thuẫn giữa Đổng Trác và con nuôi là Lã Bố nảy sinh. Đổng Trác nóng nảy, từng phi kích định giết Lã Bố khi không vừa ý khiến Lã Bố oán hận. Ngoài ra, Lã Bố còn lén lút quan hệ tình ái với người hầu gái của Đổng Trác và rất lo sợ bị phát hiện[2][3].

Lã Bố là người đồng hương Tinh châu với Vương Doãn và được Vương Doãn quý mến. Vì lo lắng, Lã Bố tới nhà Vương Doãn thuật việc mình bị Đổng Trác phi kích. Vương Doãn bèn bàn mưu với Lã Bố nên giết Đổng Trác. Ban đầu Lã Bố còn do dự vì Đổng Trác là cha, Vương Doãn bèn thuyết phục Lã Bố rằng đó chỉ là cha nuôi và lúc phi kích không còn tình cha con nữa. Vì vậy Lã Bố quyết tâm hành sự.

Trong Tam Quốc diễn nghĩa, La Quán Trung kể rằng Lã Bố bị Đổng Trác rượt đuổi và phóng kích vì bị bắt quả tang tình tự với Điêu Thuyền – ái thiếp của Trác, vốn là con nuôi trong nhà Vương Doãn. Sử sách không nhắc tới một nàng Điêu Thuyền nào giữa 3 người Vương Doãn – Lã Bố - Đổng Trác. Theo sử gia Lê Đông Phương: Hai chữ điêu thuyền vốn là tên một chức quan trong cung thời Hán. Đây không phải là tên người. Khi Đổng Trác vào cung vua hoành hành đã bắt nhiều phụ nữ mua vui, nên một a hoàn vốn là điêu thuyền của triều đình có thể có trong nhà Đổng Trác chứ không thể có trong nhà Vương Doãn[3].

Vương Doãn sai Sĩ Tôn Thụy thay mặt Hán Hiến Đế viết chiếu thư sai Lã Bố giết Đổng Trác. Nhân mùa xuân năm 192 mưa nhiều ngày không ngớt, Vương Doãn mượn cớ làm lễ cầu mưa tạnh để bàn kế hoạch với các quan.

Tháng 4 âm lịch năm 192, Đổng Trác vào cung yết kiến vua Hiến Đế. Lã Bố và thuộc tướng Lý Túc phục võ sĩ ở cửa Bắc Dịch chờ đợi, khi Đổng Trác đi vào bèn đâm chết Đổng Trác.

Vương Doãn tru di 3 họ nhà Đổng Trác và bổ nhiệm Lã Bố làm Phấn vũ tướng quân, phong làm Ôn hầu. Hai tướng cũ dưới quyền Đổng Trác là Hồ Chẩn và Từ Vinh được Vương Doãn dung nạp.