晚上10点30分，起义军分三路进攻总督署和旁边的第八镇司令部，同时命令已入城的炮八标在中和门及蛇山占领发射阵地，向总督署发其轰炸，但进攻连连受挫。12点后，起义军再次发起攻击，终于突破清军防线，他们在督署放火指引炮兵轰炸督署，瑞澄打破督署后墙从长江坐船逃走，第八镇统治张彪仍在抵抗。经过反复进攻，督署和司令部终被攻破，张彪退出武昌，整个武昌城都被起义军接管。
10月10日深夜，得知起义情况后，在保定军咨府军官学校（后改名陆军大学）学习的同盟会成员何子渊的六弟何贯中，与同寝室同学李济深等人，组织军校学生炸毁了学校附近的浏阳铁桥，阻断清军南下镇压起义的道路。10月11日，起义军将士在湖北咨议局建立革命军政府，他们认为军政府需要社会上有名望地位的人出资号召，于是邀请咨议局议员和地方绅商举行会议，推举清朝二十一混成协（旅）的协统黎元洪为军政府都督。同日，汉阳党人起义，占领汉阳全城，10月12日，汉口也为党人占领，至此，武汉三镇全部为革命军所控制。
1911年10月10日武昌起义爆发后，清廷猝不及防。湖广总督瑞澄谎报“地方安谧”，次日即奏报武昌失守，清廷内外震动。武昌起义的炮声彻底打破了清廷的幻想。消息传来，宫中一片大乱。摄政王急得团团转，隆裕太后整日以泪洗面，大臣们各怀心思，朝堂上乱成一锅粥。革命的火焰迅速蔓延，各省纷纷响应，清朝的统治摇摇欲坠。我坐在龙椅上，看着这一切，心中五味杂陈。我虽年幼，却也明白，这个古老的王朝即将走向末路，而我这个皇帝，也即将成为历史的注脚。在我登基成为皇帝的这三年里，这陆续三次的重大革命起义，我虽无力改变局势，却像一个旁观者，见证了旧时代的落幕和新时代的曙光。我深知，历史的车轮滚滚向前，谁也无法阻挡 。
武昌起义爆发后，1911年10月12日，清廷做出反应，摄政王载沣紧急召集奕匡、那桐、徐世昌等重臣商议，初步决定派陆军大臣荫昌率北洋军南下镇压，海军大臣萨镇冰率领水军赶赴湖北平叛。但荫昌并无实战经验，且北洋军实权仍在袁世凯旧部（如冯国璋、段祺瑞）手中，导致指挥失灵。10月15日，面对这一形势，湖北军政府决定，首先扫荡汉口敌军，然后向北推进，阻止清军南下。10月18日，双方投入战斗，汉口革命军进攻刘家庙，次日革命军占领刘家庙。此后，清军对刘家庙展开数次反攻，10月27日，清军收复刘家庙，革命军退守大智门一带。双方便在此互相胶着对峙。
朝廷得知双方军事胶着，新军竟无可奈何？对此清廷内部对是否起用袁世凯产生分歧。奕匡、那桐、徐世昌等力主启用袁世凯，认为其掌控北洋军，是唯一能镇压起义之人。载沣虽疑虑重重，但面对革命军迅速蔓延的压力，被迫于10月14日任命袁世凯为湖广总督。袁世凯却以“足疾未痊”为由拒绝，提出六大条件：1 明年召开国会2组织责任内阁3开放党禁4 宽容武汉起事人员5 授予前方军事全权6保证粮饷供给。这些条件实质是要夺取清廷军政大权，迫使载沣退位、奕匡内阁下台。清廷无奈妥协，摄政王载沣于10月27日任命袁世凯为钦差大臣，节制所有赴鄂军队；11月1日，袁世凯出任内阁总理大臣，全面掌控清廷实权。
汉口保卫战期间（10月18日到11月27日），10月22日，湖南、陕西两省首先响应武昌起义，宣布独立，同月内，江西、山西、云南也相继宣布独立。至此，湖北、湖南、江西三省联成一块，山西、陕西两省联成一块，云南则在西南地区呼应，革命浪潮向华东和华南地区迅速扩展。此后浙江、贵州、江苏、安徽、广西、福建、广东，先后宣布独立，至11月27日四川宣布独立后，长江流域及其以南各省全部光复，处于清廷统治下仅剩清廷江南提督张勋镇守的南京。12月2日，江浙联军攻克南京，南北对峙的局面就此形成。
在全面得到朝廷实权后，袁世凯以钦差大臣身份代替荫昌指挥清军作战。 一面以武力攻占汉口、汉阳，威慑革命军；一面通过唐绍仪与南方谈判，提出君主立宪方案。革命军方面，黄兴于10月28日从上海赶赴武汉，抵达汉口督师，并在11月3日的拜将仪式上，被黎元洪代表军政府委以战时总司令，接手抵御清军的攻击。11月9日，黎元洪都督电起义各省派代表到汉会议，筹组临时政府。同时，黄兴致电袁世凯，呼吁袁世凯拥护共和。11月13日，袁世凯在北京就任内阁总理。11月27日，汉阳被清军攻陷，革命军退守武昌。持续41日的阳夏保卫战，双方死亡人数超过五千人，其中，革命军阵亡将士四千两百人。由于革命军坚持共和，且南方各省革命势力不容小觑纷纷宣布独立后已经和中央形成南北对峙。孙中山回国后被推举为临时大总统，虽然在袁世凯带领的清军下收复了汉口重镇，但双方在武力试探较量下袁世凯转而选择施压清廷。
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