新军中的革命党人自行联络，约定以枪声为号於10月10日晚发动起义。10月10日晚，新军工程第八营以熊秉坤、金兆龙为首的革命党人打响了武昌起义的第一枪，夺取位於中和门附近的楚望台军械所，吴兆麟被推举为临时总指挥。缴获步枪数万支，炮数十门，子弹数十万发，为起义的胜利奠定了基础。此时，驻守武昌城外的辎重队、炮兵营、工程队的革命党人亦以举火为号，发动了起义，并向楚望台齐集。武昌城内的29标的蔡济民和30标的吴醒汉亦率领部分起义士兵冲出营门，赶往楚望台；尔后，武昌城内外各标营的革命党人也纷纷率众起义，并赶向楚望台。起义人数多达3000多人。10月10日晚上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。并命已入城之炮8标则在中和门及蛇山占领发射阵地，向督署进行轰炸。起初，起义军没有一个强有力的指挥，加上兵力不够，进攻受挫。
晚12点后，起义军再次发起进攻，并突破敌人防缐，在督署附近放火，以火光为标志，蛇山与中和门附近的炮兵向光处发炮轰击。湖广总督瑞澄打破督署后墙，从长江坐船逃走，第八镇统制张彪仍旧在司领部顽抗。起义军经过反覆的进攻，终於在天亮前占领了督署和镇司令部。张彪退出武昌，整个武昌在起义军的掌控之中。
武昌起义成功后，汉阳、汉口的革命党人闻风而动，分别於10月11日夜、10月12日光复汉阳和汉口。起义军掌控武汉三镇后，湖北军政府成立，黎元洪被推举为都督，改国号为中华民国，并号召各省民众起义响应。武昌起义胜利后的短短两个月内，湖南、广东等十三个省纷纷宣布脱离清政府宣布独立。1912年1月1日，中华民国临时政府在南京成立，孙中山被推举为临时大总统。1912年2月12日，清帝溥仪退位，清朝灭亡。
