武昌起義在清軍的反撲下失利，漢口被清兵燒成一片火海，這使戴季陶認識到革命的殘酷與艱難。他沒有退縮，他決定到當時革命的中心上海去。在上海，他積極協助革命黨人陳其美、李平書、李燮和多方奔走，聯絡同盟會、光複會、商團、學生軍等革命力量，積極籌備起義。戴季陶同陳其美冒死到上海警察廳與廳長談判，向他宣講了革命形勢，勸其對起義予以支持或至少保持中立，使得廳長考慮到形勢的嚴峻及個人的利害，答應保持中立，並通知各分局維持治安。
11月3日，起義爆發，陳其美、戴季陶等親率起義部隊進攻上海軍事要地--江南製造局。戴季陶試圖說服守軍投降，便與王一亭帶領幾名革命軍戰士到製造局的大門前，勸說守門的士兵將門打開，但守門士兵不同意，並示意樓上有大批清兵防守。戴季陶一看敵兵設置了排炮、水壓機關槍、小鋼炮等重武器，這說明隻有武力解決了。陳、戴二人親率200多人的敢死隊發起猛攻，清兵倚仗厚重的鐵門和高高的圍牆固守，雙方僵持不下。陳其美想到李平書是製造局會辦，便同他去與總辦張士珩交涉，但談判破裂，陳其美被扣。
午夜，李燮和、戴季陶、鈕永健帶領3000多革命軍向江南製造局再次發起猛攻，戴季陶帶領敢死隊和南京陸軍學校前來參戰的學生，悄悄來到西邊圍牆下，將牆角挖開一個洞，爆破人員將四個炸藥包捆綁在一起，將圍牆炸開了一個大缺口，大家呼喊著順缺口衝了進去，在堆放槍炮材料的地方放起火來。此時革命軍的大炮也將大樓轟塌一角，戰士們潮水般地衝進去。製造局總辦見大事不好急忙逃走，大家將陳其美救了出來。第二天9時，起義隊伍占領製造局，這標誌著光複上海的勝利。
1912年元旦，中華民國成立，孫中山任臨時大總統。戴季陶認為江南的革命已經成功，應將革命重點放在北方。恰在此時，東北的起義被清東三省總督趙爾巽、軍閥張作霖鎮壓下去。革命軍首領藍天蔚逃到上海，尋求支持。上海軍政府讓戴季陶負責接待。戴季陶了解情況後電請南京政府任命藍天蔚為關外大都督，藍接命後任命戴季陶為交通部長，負責聯絡各方麵的革命力量舉事。
1912年1月中旬，藍天蔚、戴季陶、商震乘海容、海珍、南珍三艘軍艦，另備商船三艘，載北伐軍進軍東北。上海陳其美支援的一大批軍火由滬軍將領劉基炎由海上押運，劉妄圖將軍火據為己有，以擴充個人勢力。戴季陶聞訊，將劉基炎誘騙到海容艦上，戴季陶與彭漢懷用手槍逼住劉基炎，令其交出軍火，劉被迫答應。