武汉向称“九省通衢”，是当时国内重要的大城市，是帝国主义侵略的重要据点和清朝反动统治的一个重心，也是资产阶级革命力量发展迅速的地区和各省革命党人联系的枢纽。革命与反革命的斗争，在这个地区格外激烈。自1904年武汉第一个革命团体科学补习所成立以来，湖北革命党人便把发动新军参加革命作为其主要工作，至1911年初，参加革命组织的士兵已达五六千人，占湖北新军总数的1／3左右，为武昌起义的发动奠定了基础。
1911年4月，黄兴亲自率领革命志士200余人发动了黄花岗起义。6月，四川掀起保路运动，后发展为全川的武装暴动。这两件事大大鼓舞了全国人民的革命信心，革命形势一派大好。湖北革命党人决定利用这个大好时机，在武汉发动起义。9月24日，为了加强对武汉地区革命力量的领导，共进会和文学社两个革命团体决定联合行动，组成了统一的起义领导机构，推举文学社领导人蒋翊武为湖北革命军总指挥，共进会领导人孙武为参谋长，两团体的重要骨干刘尧激、彭楚藩等为军事筹备员，拟定了起义的详细计划。
10月，湖北革命党人认为起义时机已经成熟，决定于6日发动起义，因准备不及而延期。10日，设在武昌的指挥起义的秘密机关遭到破坏，湖广总督瑞澂下令在全城戒严，按照查获的名册搜捕革命党人，武昌形势顿时紧张起来。革命面临着十分严峻的考验。在这个紧要关头，革命党人和新军中的革命士兵群众，在失去指挥机关的紧急情况下，自行联系，发动了武装起义。
10月10日晚，新军工程第八营的革命党人打响了起义的第一枪。他们打死镇压起义的反革命军官，然后冲往楚望台军械库夺取弹药。军械库守军中的革命士兵们闻风响应，一举占领了楚望台。接着，步、炮、辎重各营和军事学堂的学生约五营兵力齐集楚望台，向总督衙门发动进攻。革命士兵奋不顾身，血战通宵，占领了总督衙门、藩库等重要机关，湖广总督瑞澂仓皇出逃，武昌起义取得了胜利。11日晚和12日晨，驻汉阳、汉口的新军也先后起义，武汉三镇全为革命党人所控制。
由于直接组织起义的文学社、共进会的领导人物在起义前，有的受伤，有的牺牲，有的被迫逃出武汉，因此起义的领导权落入一批官僚政客和立宪派人物手中。11日，义军推举清朝高级军官、21混成协的协统黎元洪为军政府的都督，选举湖北立宪派首领汤化龙担任民政部长，主持有关工作。
武昌起义成为燎原的星星之火，散布在全国各地的革命党人纷纷发动新军和会党起义响应，广大群众也自发起来抗争，革命浪潮席卷全国。
首先响应武昌起义的是湖南和陕西两省。10月22日，湖南革命党人焦达峰、陈作新等发动会党和新军进攻长沙，取得胜利，建立了湖南军政府，巩固了湖北革命党人的后方。同日，陕西同盟会会员景梅九、井勿幕等也联络会党和新军起义，建立了陕西军政府。10月23日，驻江西九江的新军也起来响应武昌起义，攻克湖口和马当，并成立九江军政分府，解除了长江下游清军对武汉的威胁。31日，同盟会会员蔡公时往南昌发动新军起义，建立了江西军政府。除此，山西、云南、上海、江苏、浙江、贵州、安徽、广西、福建、广东等省的革命党人也纷纷发动起义，建立军政府。至11月9日，即武昌起义后一个月内，全国已有13个省和上海市以及一些省的许多州县宣布起义，清朝一部分海军也投奔到革命方面来，甚至在清王朝的统治中心地区直隶，革命党人也策划了起义。
在各城市进行革命的同时，各地农村也掀起了反封建斗争的风暴。几乎全国各省都发生了规模不一的农民武装暴动或抗租斗争。在少数民族地区也发生了拥护共和制度的革命运动。内蒙古革命党人组成革命军，响应武昌起义。1911年12月下旬，在新疆乌鲁木齐爆发了由哥老会和当地少数民族参加的武装起义，1912年1月，起义军占领了伊犁，组织了“汉、满、蒙、回、藏五族共和会”，宣布“五族共和”，成立了临时政府。
各省革命党人的积极响应和遍布全国的群众自发斗争，汇合成为资产阶级民主革命的巨大洪流，以摧枯拉朽之势宣告清王朝末日的来临。革命形势的发展，使建立一个统一的共和政府成为迫在眉睫的事情。但由于各派政治力量都力争控制中央政府，围绕组建中央政府的斗争十分尖锐复杂。1911年12月25日，孙中山自海外回国，各地资产阶级革命派认为他是组建中央政府的最适当人选。12月29日，孙中山当选为临时大总统，临时中央政府终于产生。1912年1月1日，孙中山在南京宣誓就职，从而宣告了中华民国的诞生。风起云涌的辛亥革命推翻了长达2000多年的封建专制统治，缔造了资产阶级民主共和国，这是中国近代以来具有重要意义的大事。
