新上任的趙爾巽通過近一個月的多方探查，了解此時張瑜在奉天府的地位，手握新軍重兵，其動向舉足輕重。趙爾巽也是明智之人，並沒有對張瑜進行任何打壓，一方麵大力拉攏張瑜；另一方麵派人暗中監視張瑜，密切注意其動向，利用自己手中僅僅剩下的權謀之術，維持著各方的穩定。
此時在中國南方，湖北新軍原為張之洞所練的“江南自強軍”，中下層軍官不少曾官費派日留學，因而遍布革命黨人。當中以共進會及文學社兩個革命團體滲透最廣。保路運動釀成民變後，端方奉命率湖北新軍入四川鎮壓。此時，武漢新軍大部被調入川，武漢的防務非常空虛，革命黨人認為這是發動起義的好機會。
1911年9月24日，文學社與共進會在武昌召開由雙方負責人和新軍代表60餘人參加的聯席會議，會上組建了起義的領導機構——起義總指揮部。文學社負責人蔣翊武被推舉為總指揮，共進會負責人孫武被推舉為參謀長。共進會負責人劉公被推舉為政治籌備處總理。起義總指揮部設於武昌小朝街85號文學社機關，正值籌備處設於漢口俄租界寶善裏14號。起義機關定為1911年10月6日，後因準備不足，起義日期推遲到10月16日。
10月9日共進會人孫武在漢口俄租界寶善裏14號秘密製造炸彈時發生事故，孫武被炸傷。俄國巡捕前來搜查，受傷的孫武和其他人脫逃，並在相鄰的劉公住所內帶走了劉公的弟弟劉同。湖廣總督瑞澄聞得此事後下令全城戒嚴，搜捕革命黨人。文學社負責人蔣翊武聞訊後，決定當夜發動起義，並派人給各營送信。當日晚彭楚藩、劉複基在起義總指揮部被捕、楊宏勝在運送彈藥的路上被捕，10月10日晨三人被斬首。
新軍工程營後隊正目熊秉坤等人決定提早起義，並拉來隊官吳兆麟作為起義軍臨時總指揮，熊秉坤為參謀長。1911年10月10日晚間八時，程定國發出武昌起義的第一槍，起義士兵首先發難攻占楚望台軍械庫，繼而深受文學社共進會等革命團體影響的大部分新軍共同響應。吳兆麟、熊秉坤率起義部隊攻打湖廣總督府，在南湖炮隊的炮擊下，起義軍在次日黎明前，占領總督衙門，湖廣總督瑞澄逃走。
10月11日黎明，起義軍聚集在湖北諮議局大樓會議廳新軍八鎮十五協二十九標二營司務長蔡濟民召集會議，商討組建軍政府和推舉都督人選。除革命黨人吳醒漢、徐達明等十餘人外，還邀請諮議局議長湯化龍、副議長張囯溶以及議員，還有舊軍官吳兆麟參加。會議請湯化龍主持。吳兆麟提議由第21混成協統領黎元洪擔任都督，立憲派一致擁戴，部分革命黨人也因為黃興、宋教仁不在武昌，彭楚藩、劉複基、楊宏勝被害，孫武被炸傷，蔣翊武被迫逃跑，沒有更好的人選表示同意，因此會議通過了以黎元洪為都督，湯化龍為民政總長。