起义的日子一天天逼近，大家都投入积极的准备中，不料在起义前夕，接连发生了两起自我暴露的事件，新军中的革命党人有不少被杀害，革命党人这时除了提前发动起义，别无选择。一件事是新军炮队的革命党人孟发臣等人和营长杨齐风发生冲突，杨齐风用军棍打了孟发臣等人，士兵们看到官长这样横蛮专制，按耐不住怒火，拖出几门大炮就向军官宿舍轰击。谁知射出的全是演习用的假弹。他们又急忙去取真弹时，被赶来的部队镇压。湖广总督瑞征虽然没有利用这事大肆搜捕革命党人，却因此布置了防务措施，加强了防备。
第二件事发生在10月9日上午。一部分革命党在参谋长孙武带领下，在汉口俄租界宝善里配制炸药。不料有人吸烟，火星落在炸药桶里，顿时引起爆炸。孙武受伤，被人送进医院。巨大的爆炸声引来了俄国巡捕，他们把革命党人准备起义用的文告、旗帜、印信、钞票和宣传品全部抄走，并抓住了刘同等人，接着他们就把这些战利品引渡给瑞征。刘同当时只有十四五岁，在敌人的严刑拷打下，把他所知道的革命党的秘密机关和重要人物全部供了出来。瑞征马上下令包围了武昌小朝街的起义指挥部。抓住了一批革命党人。总指挥蒋翊武侥幸逃脱。起义计划被彻底打乱。
当天午夜过后，瑞征下令将捉到的革命党人全部杀害。接着关闭城门，全城戒严，并严格管束新军各团各营的人员，不许他们外出，不许往来，接照名单严密搜捕新军中的革命党人。
晚7时左右，驻武昌城内黄土坡的第八镇所属工程第八营的士兵金兆龙在兵营里擦枪，排长陶启胜就问：“你们要干什么？”金兆龙回答：“以防不测！”陶启胜大声说：“你们想造反吗？”金兆龙急不择言：“造反就造反，你能把老子怎的！”陶启胜上来就要扭住金兆龙，金兆龙抬手就给了他一枪。受了轻伤的陶启胜转身便往门外跑，迎面碰上班长熊秉坤。熊秉坤知道陶启胜这一去定会惹来麻烦，也抬手就向他开了一枪。全营革命党人听到枪声，大喊：“反吧！”顿时大家行动起来，枪声大作。金兆龙、熊秉坤的第一枪揭开了武昌起义的序幕。
起义发动之后，熊秉坤等率众直奔楚望台军械局。把守军械局的工程营士兵顿时纷纷加入起义队伍，起义士兵的战斗力和信心越发得到加强。驻守军械局的工程营左队队官吴兆麟，曾经参加过革命团体日知会，所以立即被推为临时总指挥，吴兆麟立即带领队伍进攻总督衙门。这时各团营新军革命士兵听到枪炮声和工程第八营起义的消息后。也都纷纷起义。起义队伍声势更加浩大。经过一夜战斗，到11日拂晓，武昌就被革命军全部占领了。11日晚和12日早，汉口和汉阳新军也发动了起义。武汉三镇全部为革命军所占领。
武昌起义成功得这么快，是大家所没想到的。这时候，孙中山远在美国，黄兴还在香港，而当时策划起义的共进会和文学社，因为起义前的事件，领导人有的牺牲，有的藏匿，因此，起义成功后，该由谁出面组织政府？经过激战的革命士兵，聚集在武昌湖北谘议局开会。他们四处找人，找来了立宪派、地方坤士，和一些没来得及逃走的官吏。要他们参加推举都督，成立革命政府。革命党人对朋友和敌人的观念还十分模糊。
起义的士兵还认为，当都督的总应该是有“声望”的人，有人提议熊秉坤和吴兆麟当都督。而起义发起者熊秉坤和临时总指挥吴兆麟一个是班长，一个是连长。他们自己也觉得自己缺乏威望和指挥经验，难以控制今后的局势。会场上的立宪派有人看准了势头，便提议让原清军协统(旅长)黎元洪当都督。
黎元洪是湖北黄陂人，曾在北洋海军里任职。起义的当天晚上，他坐镇军营，曾亲手杀死过一名响应起义的士兵，后来革命党人派来的联络人员，也被他枪杀了。人们找到他让他出面主持军政府，担任都督。他怎么也不肯，后来，在革命党人的枪口逼迫下，他才无奈就任。这时，立宪派头子、湖北谘议局局长汤化龙，也被推举担任了民政总长。黎总洪被迫上台后，终日一言不发，也不肯剪去辫子。革命党人无可奈何，把他监视起来，另外组织了一个“谋略处”处理重要军事问题。并以黎元洪的名义，通电全国。
湖北军政府成立后，宣布把国号改作“中华民国”，中华民国的主权属于人民，表示支持和同情各地人民群众的斗争，号召各地人民响应起义，推翻清朝的统治。军政府又陆续发布文告，宣布人民享有民主、自由、平等的权利；宣布废除一切苛捐杂税，废除当年和往年所欠的田赋。
军政府的革命政策，得到了群众的拥护，激起了他们革命的热情，工人、农民、知识分子纷纷报名参军。接着又在与清军的一次交战中打了一个大胜仗，攻占了清军的阵地。
革命形势越来越好，当了几天木头人的黎元洪也活跃起来，积极把持政权。一些投机分子看到起义成功，也都自称“拥护共和”钻进革命队伍中，控制形势的发展，而且势力越来越大。起义虽然成功，却隐藏着巨大的危险。
武昌起义胜利的消息很快传遍全国。湖南、陕西、山西、江西、上海等10多个省份一个接一个发动起义，成立军政府，宣布独立。清王朝在各地的统治迅速瓦解。因为1911年是旧历辛亥年，所以这次革命被称为辛亥革命。