1906年（光緒三十二年 丙午）32歲
春在桂林，偕胡毅生會晤法國軍官布加卑，洽談革命計劃。組建同盟會桂林分會，先後主盟吸收趙聲、林虎、蔡鍔等加入同盟會。夏，先後至梧州、龍州，訪劉思複、鈕永建、秦毓鎏，密商於秋間舉事桂林。6月至新加坡，協助孫中山籌建同盟會南洋各埠分會。9月上旬自南洋北返，經香港抵滬。創廣藝書局為交通機關，旋東渡日本。秋末派劉道一、蔡紹南等歸國赴湘，運動軍隊，重振會黨，策劃起義。12月2日（十月十七日）主持《民報》創刊周年紀念大會。會後，介紹譚人鳳加入同盟會。12月4日（十月十九日）萍瀏醴起義爆發，急派譚人鳳、周震鱗等回國響應。
1907年（光緒三十三年 丁末）33歲
1月5日離東京赴香港策劃起義。2月返東京，與孫中山、章炳麟製訂同盟會《革命方略》，討論國旗圖式。3月5日（正月二十一日）因孫中山被迫離日本，代理同盟會總理職務。以會中留日陸軍學生組成“丈夫團”。5月經香港赴河內，與孫中山會商廣東潮、惠、欽、廉四府起義計劃。旋奉孫中山命赴欽州郭人漳營策動反正。9月在郭人漳營暗中部署，擬內應欽廉防城起義。複返河內，與孫中山謀劃鎮南關起義。12月2日（十月二十七日）鎮南關起義爆發。次日，隨孫中山趕赴陣地參戰。5日，隨孫中山返河內籌款購械。
1908年（光緒三十四年 戊申）34歲
3月孫中山離越南，以粵、桂、滇三省軍事交付黃興、胡漢民。
3月27日（二月二十五日）組建“中華國民軍南路軍”，自任總司令，進攻欽州。轉戰欽、廉、上思一帶，曆四十餘日，因彈盡糧絕，於5月3日率餘部退至越南。
5月5日（四月初六日）被孫中山電委雲南國民軍總司令，赴雲南河口領導起義。6月在新加坡撰文參加孫中山領導的與保皇黨的論戰。7月返抵東京，成立大森體育會，培養軍事幹部。10月以日、清政府勾結封禁《民報》，領導在日同盟會極力抗爭。
1909年（宣統元年 己酉）35歲
5月受孫中山委托，與胡漢民負責國內革命運動之進行。
10月秘密複刊《民報》，邀汪兆銘任編輯。
9~11月抵製陶成章攻擊孫中山、分裂同盟會之行徑。
1910年（宣統二年 庚戌）36歲
1月23日應同盟會南方支部之邀啟程赴香港，主持籌備廣州新軍起義。2月12日獲悉廣州新軍倉卒發難，急往督戰，未果。3月28日偕胡漢民、趙聲赴新加坡籌款善後，並謀再舉。5月13日複函孫中山，詳陳革命計劃。6月秘赴日本，與孫中山、趙聲連日密商改進黨務、秘設機關，統籌各省革命運動之大計。10月偕趙聲赴仰光，謀劃雲南革命。11月13日（十月十二日）赴檳榔嶼出席孫中山召集的秘密會議，決定籌集巨款，傾全黨力量在廣州再次起義。12月31日至壩羅訪鄧澤如，邀赴南洋各埠籌款。
1911年（宣統三年 辛亥）37歲
1月上旬在南洋各埠籌款。18日抵香港，主持廣州起義籌備工作。月底，成立統籌部，為籌劃起義之總機關，與趙聲分任正、副部長。2月4日委譚人鳳為統籌部特派員，支撥經費2000元，回湘、鄂策動響應。後又派鄭讚臣、方君瑛等赴江、浙、皖、桂等省活動。4月8日主持召開統籌部會議，擬製起義計劃。23日，作絕筆書，晚入廣州城部署戰鬥計劃。
4月27日（三月二十九日）辛亥廣州起義爆發。率敢死隊進攻兩廣督署，與清軍激戰，傷斷右手兩指。因實力懸殊，起義失敗。29日，由徐宗漢護送香港療傷。
夏在香港組織東方暗殺團，策劃暗殺廣東大使，配合武裝起義。10月2日與湖北代表呂誌伊、劉芷芬晤談。10月10日（八月十九日）湖北武昌起義爆發。次日，湖北軍政府成立。10月28日抵武昌，與黎元洪會商軍事，推為總司令。是夕渡江，設總司令部於漢口滿春茶園。次日，親臨前線督師。11月2日出席都督府軍事會議，舉為中華民國軍政府戰時總司令。次日，舉行就職儀式。晚，進駐漢陽。
11月27日漢陽失守，民軍退守武昌。在都督府軍事會議上主張撤離武昌、進取南京，未獲通過。辭戰時總司令職，赴滬。
12月1日抵滬。與《民立報》記者談話：“此行目的，在速定北伐計劃，並謀政治之統一。”次日，與各省留滬代表商議，力主臨時政府設於南京。
12月4日由各省留滬代表公舉為大元帥。次日，出席各界歡迎大會，堅辭大元帥。17日，由各省留滬代表改舉為副元帥，代行大元帥職權，仍辭不就。12月18日南北議和開始。20日，委顧忠琛為全權代表，簽定議和草約。12月25日（十一月初六日）孫中山歸國抵滬，黃興等前往吳淞迎接。次日，與孫中山召開會議，商討組織臨時政府方案。12月29日主持17省都督府代表會議，籌組臨時政府，選舉孫中山為門。