黃興派趙正平去南京聯絡起義事宜。趙到南京後，致電在徐州的冷遹到南京，同章梓、洪承點幾人密商。冷、章認為蘇軍的槍械彈藥全靠上海製造局供給，袁世凱已派兵1團駐紮製造局，如果上海不供給槍械彈藥，江蘇軍隊實在危險，若先將上海拿在手中，南京通電響應就有辦法。趙回上海向黃興報告。
黃興召集陳其美、鈕永建、黃郛等商議上海起事計劃問題。因上海方麵沒有軍事力量起事，隻得請南京方麵先發動。
黃興再派趙正平、何成浚赴寧，邀集駐寧的第1、8師高級將領、駐徐州的第3師師長冷遹、前安徽都督柏文蔚，開軍事會議，決定7月15日宣布討袁。冷遇的部隊散在鄉間剿匪，他匆匆北返徐州，調集四鄉軍隊。
會議之後，第8師士兵和下級軍官準備殺死師長，歡迎孫中山到南京主持討袁。那第8師師長陳之驥和旅長王孝縝、黃愷元，等，都認為第8師缺額尚多，不讚成馬上出兵討袁。孫中山對他們極為不滿，他為了起兵討袁，竟派朱卓文從上海攜款2萬元，到南京運動8師幾個營、連長，叫他們殺了師長、旅長後宣布獨立。8師的兩個旅長王孝縝、黃愷元得消息，倉皇來滬，向黃興報告說：“現在事已至此，雖準備未充分，也得樹起討袁的旗幟。希望您去南京作討袁軍總司令。”他們要求孫中山千萬不要在此混亂時期赴寧，須俟南京獨立穩固後，再去寧組織政府。
黃興應允他們的要求，決定次晨動身去寧。他立即見孫中山，說明自己赴寧舉兵討袁，請孫中山在初舉義時勿赴南京，等形勢穩定後再去寧組織政府，孫中山點頭同意後，王孝縝、黃愷元當夜趕回南京，布置起義。黃興也於次日輕車簡從，秘密地到了南京，當晚召開軍事會議，部署討袁的作戰計劃。
7月5日，1師師長章梓派人割斷了都督府的電話，8師士兵開入都督府。
尚在睡夢中的蘇督程德全驚駭異常。趙正平急忙上前安慰說，請都督安心，克強先生就要來了。即要同都督商量。……趙的話聲未落，黃興以溫藹大度的態度，踱進來了，背後跟著各高級將領。大家坐下，黃興說明討袁大義，請求協助。若幹高級將領，自8師師長起，紛紛跪下，語極誠懇。
程德全遂一變其驚駭顏色，表示附和獨立討袁，並留住和黃興同來的章士釗，起草討袁通電，由江蘇都督程德全委任的江蘇討袁軍總司令黃興宣布江蘇省獨立。
黃興沒有看透程德全是黎元洪之類的人物，他本來完全可以自己打起討袁的旗幟，但是他卻要程德全做太上皇，由程德全任命他為江蘇討袁總司令。事後，柏文蔚密告黃興說：“最好快刀斬亂麻，處程於死地，俾免後患。或為人道主義，即行拘禁，否則·必壞大事。”
黃興未采納柏文蔚的意見，放程德全托病離寧赴滬。程到上海後，即通電聲明說：“駐寧第8師等各軍官，要求宣布獨立。德全苦支兩日，舊病劇發，刻難支持，本日來京調治。”
黃興著手組織討袁軍司令部。他委任章士釗為秘書長，黃愷元為參謀長，何成浚為副官長，趙正平為兵站總監。因第1師師長章梓為文人，不會打仗，即調任都督參謀長，任命洪承點為第1師師長，任命馬錦春為要塞司令（未就任），堅請柏文蔚出任安徽討袁軍總司令，赴蚌埠部署軍事。同時令冷遇率第3師向駐韓莊的北洋軍立刻發動進攻；令第8師騎兵團團長劉建藩率該師第29團附機關槍連及騎、炮、工兵各1營，組成混合支隊，開赴徐州前線支援第3師；第1師第1旅旅長戢翼翹率該旅隨後跟進；周應時率第1師第2旅開赴臨淮關，協助安徽討袁軍進攻北軍倪嗣衝部；派洪承點進駐蚌埠，節製第8師的混成支隊和開赴徐州、臨淮關一帶的第1師的部隊，並負責組織徐州以南沿鐵路線的防禦；第l、8師的其餘部隊，負責在南京四周的防禦。
冷通回到徐州，立即收攏部隊。未待全師集中，就率部向徐州以北30公裏的利國驛方向運動，並拆毀韓莊以南的鐵路數處，占領徐州電報局，斷絕南北交通和通迅。
北洋軍第5師師長靳雲鵬聞訊，立刻致電袁世凱說：“徐州軍隊既經叛變，應乘其尚未集中，迅速突擊。第5師現經分紮，猝難集合。張勳軍隊聚駐鐵路沿線，可否飭令星夜進攻。陸軍集中後即行繼進，以赴事機。再韓莊支隊至今未見報告，焦甚！”
袁世凱複電靳雲鵬說；“五師嚴守準備，未可輕進。望向韓莊確探軍情再奪。”
冷遹的第3師冒雨向駐守韓莊的方玉普旅的兩營北軍發動進攻。方率部堅守待援，多次打退冷部的進攻。
張勳接到方玉普求援急電，不待袁世凱下令，立刻派他的義子武衛前軍左路統領張文生，帶步炮3營赴韓莊助戰。張文生的3營辮子兵和從兗州開來的田中玉的巡防營，先後到達韓莊前線，加入戰鬥，冷遇部遭到北軍左右夾擊，被迫退守利國驛。
北軍團長潘鴻鈞率部從濟南冒雨趕到韓莊參戰，炮團團長鄭士琦也從濟南率步兵一營、炮兵一連趕到前線，將利國驛車站轟毀。冷遹部被迫撤出利國驛，退守徐州北20公裏的柳泉。
8師混成支隊在劉建藩的率領下到達柳泉前線，從鐵路兩側向敵猛攻，激戰一晝夜，包圍敵軍右翼。敵軍急調第5師的兩個營投入戰鬥，才得突圍後撤。討袁軍1師第l旅趕到前線，與3師、8師劉建藩支隊並力再度反攻，將北軍趕回利國驛一線。討袁軍前鋒一度追到運河。
在討袁軍節節取勝的時刻，黃興聽說駐楊州的徐寶珍的第4師叛變，將從六合進攻南京，急電劉建蕃支隊撤離前線，回守六合。劉隊的撤回大大削弱了利國驛前線的兵力。
黃興幻想利用張勳忠於清室、不滿袁世凱愚弄舊朝的情緒，動員張勳倒戈。他致電張勳說：
“兗州張軍統鑒：江西、江蘇先後獨立，皆袁世凱自開釁端，過為已甚。……世凱本清室權奸，異常顯詐。每得權勢，即作奸慝。戈戌之變，說者成為寒心。前歲光複，世凱複愚異舊朝．盜竊權位，繼以寡婦可欺，孤兒可侮，假其名義，以禦民軍，旋乃取而代之。自入民國，世凱更無忌憚，陰謀滿腹，賊及太後之身。賄賂塞途，轉吝皇室之費。世凱不僅民國之大憝，且清室之賊臣，無淪何人，皆得申討。公久綰軍符，威重於內。現冷軍已在徐州方麵，與袁軍接仗，公率一旅之眾，直搗濟南，則袁氏喪膽，大局隨定，國家再造，即由-我公矣。”
黃興對張勳這個臭名昭著的封建餘孽策反，無異與虎謀皮。張勳不僅不理，反而派出騎兵，繞道台兒莊經澗頭集，配合新抵前線的袁軍向討袁軍進攻。已被袁軍收買的大土匪李扒子（李已被冷軍擊斃）餘部，也抄襲冷軍的後路，使冷軍腹背受敵，力不能支，退回徐州。冷軍剛退還徐州，又遭到受敵軍收買的冷師騎兵團團長張宗昌騎兵的突然襲擊，以致軍心大亂，被迫退出徐州。
討袁軍撤出徐州後，高級將領鬥誌消沉，無意部署節節抵抗。不久，第1師被調回南京，第3師師長冷遹脫離部隊回南京，3師由旅長伍崇仁率領移駐鳳陽。