日知會後，湖北革命黨人成立了十幾個革命團體，並在辛亥年間，逐漸歸流為兩個齊頭並進的革命組織——文學社和共進會。文學社社長是湖南人蔣翊武，湖北共進會會長是漢口人孫武。兩個團體都堅持以發動軍隊投身革命為革命方略。經過湖北眾多革命團體的努力，在武昌起義前夕，湖北新軍1萬5千人中有5千多人加入了革命黨。
1911年夏秋間，四川省爆發了保路運動，清政府緊急調派軍隊入川，鎮壓保路運動，湖北新軍第3l標及32標1營在川漢、粵漢鐵路督辦大臣端方的帶領下，趕赴四川。湖北武漢城防相對空虛，這大大鼓舞了湖北革命黨人舉行起義的信心。而這時，在上海由宋教仁、譚人鳳發起成立了中國同盟會中部總會，在中部總會的推動下，文學社、共進會兩個革命團體拋開門戶之見，合而為一，組成統一的臨時指揮部，策划起義，他們的起義計畫得到了黃興的贊同。革命黨人為起義預備了軍旗、印信、鈔票，只待時機成熟。
武昌起義的爆發和一件突發事件有關，這就是寶善里炸彈案。1911年10月9日孫武在漢口俄租界寶善里秘密機關配製起義用的炸彈，搗藥時用力過猛，導致爆炸，孫武面部炸傷，被送往醫院。屋內濃煙滾滾，引來俄租界巡捕的注意，他們將房間團團圍住，搜出起義用的文告、旗幟、印信及革命黨人花名冊，並將其送交湖北當局。湖廣總督瑞澄下令四閉城門，按名冊捕拿革命黨人。彭楚藩、劉復基、楊洪勝於當晚相繼被捕，10月10日凌晨，三人慷慨就義於湖廣總督署東轅門。10月10日晚，武昌起義爆發了，晚八時，湖北新軍工程第八營響起武昌起義的第一槍，起義士兵在共進會代表熊秉坤帶領下衝出營房，奔赴楚望台軍械庫，領取槍彈，並推舉吳兆麟為起義總指揮。吳兆麟下令打開中和門（也就是今天的起義門），迎接炮隊進城，並兵分三路，圍攻清督署。經一夜激戰，督署被炸成一片瓦礫，湖廣總督瑞澄倉皇逃竄到“楚豫”兵艦，第八鎮統制張彪在督署被攻克時也望風而去。次日凌晨，十八星旗插在了警鐘樓頭，武昌起義取得成功。
10月11日起義士兵簇擁至湖北咨議局，在此推舉清軍第21混成協統領黎元洪出任中華民國軍政府鄂軍都督府都督。都督府成立後即以“大總統孫中山”名義發布文告，擴大影響，並照會駐漢各國領事，請其“嚴守中立”； 同時發布一系列革除時弊陋習的文告如禁蓄辮令，禁纏足令等。這張剪辮子的照片各位看過後，可能會一笑置之，以為只是簡單的移風易俗運動。實際上，這在當時包含深刻的政治意義：男人腦後的辮子和滿清入關大有聯繫，清初，皇帝為強化對漢族地區的統治，頒發了一道剃髮令，主要內容有十個字：“留頭不留髮，留髮不留頭”。從此，漢族男人就蓄起了這根屈辱的辮子長達260餘年。武昌起義爆發後，革命黨人上街剪辮子就表明不承認清政府的統治，並與之徹底決裂。黎元洪同意就任都督一職時，就剃了個光頭表明態度。
武昌首義訊息傳出後，次日漢陽、漢口相繼起義，漢口還成立了以詹大悲為首領的漢口軍政分府；省內漢川的梁鍾漢發動起義，隨即劉英、劉鐵兄弟在京山發動起義。由於荊州是八旗駐地，革命黨人以武力光復荊州城。
對於武昌首義的訊息，清廷大為震驚，急派陸軍大臣蔭昌、水師提督薩鎮冰統領水陸大軍分途並進，直抵武漢；並重新起用在洹水垂釣的袁世凱，委以重任，全權指揮水陸各軍進攻武漢。
軍政府成立後，立即擴軍備戰。武漢市民踴躍投軍，不滿三天，即募集到3萬人，未經訓練即開赴戰場與清軍展開殊死搏殺。這件血衣是敢死隊隊長黃禎祥當時所穿，左右衣袖上各繡有“九月初六日敵人攻劉家廟槍傷左肩之紀念”、“初七日與敵大戰搶炮三尊敵彈如雨槍傷右肩今共和成立以作紀念”。這件血衣生動地向我們展示了革命軍浴血奮戰的英勇氣概。由於民軍依託漢口街巷處處阻擊，清軍統領馮國璋竟悍然下令放火焚燒漢口，使繁華街市，變為一片焦土。
革命領袖黃興在香港聽到武昌起義訊息，一路喬裝改扮，乘船趕到武漢，抵漢受到武漢軍民的熱烈歡迎，黃興不顧風塵勞苦，立即帶領參謀人員趕赴前線，部署對清軍的反擊戰。其後，軍政府在閱馬廠舉行了盛大的拜將儀式，仿效秦漢之際劉邦拜韓信為大將的典故，由黎元洪委任黃興為戰時總司令一職，負責陽夏戰守事宜。這座由天津泥人張製作的黃興蠟像反映的正是當年都督拜將的情景。
在這裡有一張唯一的女性照片，她叫張竹君，是上海紅十字會會長，在武昌起義期間，她組織了一支民間醫療隊，準備奔赴陽夏戰地，正好此時黃興來到上海，苦於無法安全迅速趕到武漢，就請張竹君醫生幫忙，張竹君將黃興化裝成紅十字會的醫生，隨船帶到武漢。到漢後，張竹君則帶領醫護人員出入戰場，救護傷兵、收殮屍體。這塊“國殤”碑就是當年紅十字會所立。
在訓練有素的清北洋軍強大攻勢下，民軍節節退守，11月27日漢陽失守。陽夏戰爭雖以清軍得手陽夏、民軍退駐武昌而告終，但民軍以萬餘人的身軀，血戰堅守4l天，為其他各省的獨立贏得了時間，並吸引了清軍的主力，所以“敗中寓勝”。
武昌首義得到了全國大多數省份的回響，最先回響起義的是湖南和陝西。其後江西、山西、雲南等省相繼光復。各省起義領導者有一些大家耳熟能詳：比如山西都督閻錫山、雲南都督蔡鍔、江西都督李烈鈞、滬軍都督陳其美，還有率敢死隊光復杭州城的蔣介石。1911年12月25日孫中山自海外歸來，29日在南京舉行了中華民國臨時大總統選舉，孫中山以絕對多數票當選臨時大總統，黎元洪為副總統。1912年元旦，孫中山在南京宣誓就任中華民國臨時大總統。