1911年10月12日，革命党人第二十一混成协第四十二标士兵胡玉珍、邱文彬、赵承武等在汉阳发动起义；随后赵承武率起义军攻占汉口。至此，武汉三镇全部掌握在革命军手中。清政府发出“剿办”武汉“革党”上谕，陆军大臣荫昌率湖北周边的清军及北洋新军陆续压向武汉。

1911年10月14日，武昌起义后第四天，清廷下诏起复袁世凯。皇族内阁总理大臣奕劻，派袁世凯的亲信阮忠枢持诏前往洹上劝驾。当晚， 洹上经过一场激辩之后，袁世凯决定奉诏出山。15日，致函奕劻复命。16日，拜折谢恩， 并致函内阁，提出了八项要求。然后南下督师。袁在拜折复出之初，自认为尚有控制局势的能力。袁世凯曾多次公开表白自己对解决辛亥危机的方案是实行君主立宪。许给革命党方面的条件也是实行君主立宪，责任内阁。由他本人出任内阁总理。未南下之前，袁世凯就招刘承恩到彰德，筹谋“招抚”革命党，并派亲信蔡廷干随刘承恩到武昌进行议和试探，条件就是君主立宪。奉了袁世凯之命的蔡廷干极力陈说共和政体的政府不适合中国国情。

1911年10月18日起，革命军与清军在汉口展开了10余天的“汉口争夺战”。在汉口争夺战中，起义军虽取得“三战三胜”的刘家庙大捷。然而，由于前线指挥官的渎职，加上围攻汉口的清军兵力日趋加强，终使汉口于11月1日陷于清政府军。正当汉口危急之际，黄兴于10月28日抵达武昌。11月3日，黄兴出任战时总司令，并立即部署汉阳战事。然而，由于起义军“官长不用命”、“军队无教育”、“缺乏机关枪和野炮”等原因，27日，汉阳失陷，黄兴即于当日离汉赴沪。自此起，湖北革命党人转入御守武昌阶段。

1911年11月1日，袁世凯自安阳抵达湖北萧家港，正式出山。同日，奕劻内阁辞职。袁世凯被任命为内阁总理大臣，军队仍然归其指挥。袁世凯回电须开会选举，否则一纸命令不算。11月8日，资政院开会，正式选举袁世凯为内阁总理大臣。11月3日，清政府颁布《宪法重大信条十九条》。11月9日，袁世凯派赴武昌的“招安使”刘承恩、蔡廷干到达武昌，数日后带回了黄兴代表起义的革命党人以中国拿破仑、华盛顿相期许的信函。黎元洪、汪兆铭都有过类似推举袁世凯为新成立的共和国第一任大总统的表达。

1911年11月8日，在同盟会会员策划和支持下，新军第九镇统制徐绍桢，于南京城外六十里之秣陵关宣布起义。徐绍桢与上海都督陈其美及苏浙起义军将领商定组建联军会攻南京，徐绍桢任总司令。同日，四川保路同志会宣布成立“大汉四川军政府”。11月11日，攻南京联军司令部在镇江成立。

1911年11月21、22日，广安、重庆先后成立大汉蜀北军政府和蜀军军政府，川东南57州县宣布响应武昌起义。

1911年11月24日至12月1日，在总司令徐绍桢的统一指挥下，联军相继攻占乌龙山、幕府山、雨花台、天保城等据点。后黄兴赶来加入指挥。11月27日，成都无血开城，“大汉四川军政府”在旧八旗驻防城挂牌，同一天，远在资州的端方被起义的第八镇军官刘怡凤等，击杀于资中大东街禹王宫。12月22日凌晨，尹昌衡指挥所部擒获赵尔丰，并在成都皇城坝召开公审大会公审赵尔丰，当众尽斥其罪，并令部下将赵尔丰当场杀于皇城“明远楼”。赵尔丰的首级被挂在长杆上在成都城内游街示众。

1911年12月2日，联军一举攻占南京城。至此，长江以南全部为革命军据有，各省代表从武汉移驻南京。同日，通过英国驻汉口领事葛福的斡旋，武汉革命军与清军达成停战协议。12月6日，醇亲王载沣辞去监国摄政王职位，退归府邸。12月12日，14省代表共39人，由武汉、上海齐集南京，决议于12月16日选举临时大总统。公举黄兴为大元帅，黎元洪副之。黄兴坚辞不就，遂又改举黎元洪为大元帅，黄兴为副元帅。不及半月，正副帅位忽又倒置，时人讥为儿戏。而黄兴、黎元洪皆不能来南京赴任。12月16日，袁世凯调冯国璋来接替禁卫军总统，解除良弼禁卫军第一协协统职，调禁卫军炮队支援围剿山西革命军，分散禁卫军力量，又用准备出征的名义把禁卫军调出城外，派段芝贵另编拱卫军，驻扎城里。北京完全被袁世凯所控制。12月21日，黎元洪接受大元帅名义，并委黄兴代行大元帅职权，黄兴再辞。

1911年12月20日，孙中山经香港归国，胡汉民、廖仲恺等乘兵舰到港迎接。胡汉民劝孙中山留广东，整训军队，举兵北伐。然后“实力廓清强敌，乃真成南北统一之局”。孙中山坚持前往沪、宁，主持内外大计，说：“我若不至沪宁，则此一切对外大计主持，决非他人所能任”。又说：“今之大患即在无政府”。12月25日，孙中山到上海，受到热烈欢迎。报纸纷传孙携有巨款回国，记者问他：“你这次带多少钱来？”孙中山说：“予不名一钱也，所带回者革命之精神耳！革命之目的不达，无和议之可言也！”同日，中华民国南京临时政府成立。