張景良到達劉家廟後，故意拖延時間，不作任何作戰部署。20日，軍政府派人前往檢查，發現部隊混亂，毫無進攻準備，就代張景良下達作戰指令：令步兵第二協21日拂曉從正麵進攻。
10月21日拂曉，革命軍發起衝鋒。清軍以機關槍猛烈掃射。革命軍既不能前進，又無法機動，傷亡慘重。革命軍官兵無法再行進攻，就占領險要地形，加緊構築工事，轉入防禦。
這回輪到清軍進攻了。北洋第一軍主力和大批重型火炮已經到達了祁家灣一帶。清軍一麵加固陣地，一麵將重型火炮和第一軍主力調往前線，企圖先奪占劉家廟，爾後向漢口市區發展。清軍進攻的總兵力約一萬五千人，同時還有海軍艦艇配合作戰。10月26日晨，清軍水陸協同，向革命軍發動進攻。清朝軍艦乘革命軍的青山炮隊疏於戒備之際，向革命軍陣地實施火力急襲。革命軍猝不及防，犧牲五百餘人。接著，灄口的清軍在機關槍和重炮火力的掩護下，沿鐵路兩側大規模南下，發動猛攻。革命軍依托工事頑強抗擊，終因傷亡過多，被迫後撤。上午10時，清軍重新占領劉家廟，革命軍退守大智門一帶。正當激戰之際，前線指揮張景良竟然不知去向。中午12時，標統謝元愷自告奮勇，指揮部隊向劉家廟反攻。在距劉家廟五百多米處，戰士們上好刺刀，冒著彈雨，齊聲喊殺，勇往直前，與敵人展開肉搏。清軍不支，紛紛逃竄，劉家廟又被革命軍奪回。
27日淩晨，清軍集中更多兵力，對劉家廟發起更猛烈的進攻。革命軍依托陣地，堅決抵抗。兩軍僵持，比的是誰的軍火充足，誰的後勤穩定。作為前線指揮的張景良不親臨前線指揮也就算了，竟然還不給部隊及時補充彈藥，甚至還在相持的關鍵時刻突然放火焚燒軍需物資。不多久，革命官兵彈藥告罄，加之新兵軍事素質不高，部隊傷亡過大，敢死隊隊長馬榮等多名軍官先後犧牲，何錫藩等多名軍官中彈受傷。革命軍不得不從劉家廟逐步後撤，退守大智門一帶。
前清軍隊官宋錫全被動參加漢陽起義，率部占領了漢陽兵工廠，立有大功，起義後升任新組建的第一協協統，鎮守漢陽。10月27日，他看到漢口劉家廟失守，竟然私自帶領隊伍南逃，撤往長沙。湖北軍政府電告湖南都督譚延闓，以臨陣脫逃罪將宋錫全槍斃於長沙。
幾個回合較量下來，革命軍和清軍各有勝負。革命軍暴露了許多問題，傷亡很大；清軍雖然擁有訓練有素的新軍、強大的軍火和後勤，但也隻能和倉促成軍的革命軍打個平手，也暴露了諸多問題。其中最大的問題莫過於蔭昌無法真正指揮北洋新軍。不久，清廷召蔭昌回京，以袁世凱為欽差大臣，全權指揮武漢戰事；馮國璋出任第一軍軍統，親往漢口督戰。
28日上午，清軍大部隊沿鐵路向大智門猛撲，一部分清軍迂回革命軍翼側。張景良又一次玩起了失蹤，部隊無人指揮，又沒有清軍那樣的持續補給。在如此惡劣的情況下，官兵們依然與敵人反複拚殺，終因後援不繼被迫從大智門後撤。漢口革命軍偵察出張景良躲藏在漢口，立即把他捆綁到漢口軍政分府。詹大悲主任親自審訊，以“通敵”罪將張景良槍斃。張景良這個革命軍前敵指揮竟然被列入了《清史稿·忠義傳》，裏麵記載“景良臨刑夷然，仰天大言曰：‘某今日乃不負大清矣！’”軍政府真是用錯了人。第二天，清軍用重炮轟擊革命軍炮兵陣地。由於革命軍的炮兵目標暴露，火炮和人員損失很大。清軍在優勢炮火支援下向前推進，攻入漢口街區。武昌起義的成果受到了直接侵害。革命軍官兵與敵人展開了激烈的巷戰。戰鬥中，實際指揮戰鬥的謝元愷陣亡。部隊士氣開始渙散。
黃興在這個關口由上海抵達了武漢。軍政府各派馬上推舉他為武漢革命軍總司令，負責前線指揮。黃興到任後，在已經是前線的漢口設立總司令部，並且立即到前線視察部隊，激勵士氣。軍政府做了兩麵一丈二尺的大旗，上書大大的“黃”字，派兩個騎兵高舉著，在漢口街頭呼嘯而過。“黃興來了，黃興來了！”常年的革命經曆和同盟會領袖的身份，讓黃興在武漢軍民心中有著崇高的地位。聽說黃興出任了指揮，軍民精神為之一振。當時，漢口的革命軍尚有六千餘人，經過動員整頓，渙散的士氣重新凝聚起來了。
革命軍來了一個黃興，清軍的欽差大臣袁世凱也於10月31日抵達河南信陽接任。袁世凱知道朝野有無數雙眼睛盯著自己，必須在短時間內取得明顯的戰果，不然對他的期望有多高失望相應就有多深。於是，袁世凱督促馮國璋調集精兵強將猛攻，務必盡快占領漢口。馮國璋也將此看做是個人加官晉爵的絕妙良機，不敢怠慢，親自督戰。
一批批清軍配備上強大的火力，節節向漢口市區進逼。革命軍依托堤防頑強抗擊，一街一巷一屋一瓦，都流血力爭。清軍用大炮轟擊進攻，革命軍爬上屋頂射擊或躲藏在暗處放槍，使敵人每前進一步都要付出代價。勇敢的革命官兵們不食不眠，在炮火中連續作戰，最後麵目黝黑至不可分辨。漢口百姓也站在軍政府一邊，協助革命軍打擊清軍。清軍初進漢口，兩眼一摸黑，常向市民問路，市民趁機把他們引向死胡同，然後報告給革命軍過來圍剿。清軍在街上搜索前進，都惴惴不安，害怕不知道哪裏會射出流彈來。雖然清軍在數量和火力上都占優勢，但是一時無法突破守軍防線。
武昌、漢陽的革命軍組織了援軍或敢死隊，冒著敵人的炮火，渡江到漢口增援。測繪學堂組織了敢死隊，頭挽英雄結，荷槍佩刀，布條上大書“敢死隊”三字，奉命前往漢口督戰。22歲的喻育之是陸軍測繪學堂學生，參加了敢死隊。他的家就在漢口市區。喻育之路過家門口，回家留話說：“我參加了敢死隊，來漢口參戰，你們不要害怕。”他叔叔聽後撲上前來，兩手把他抱住，說：“兒啊，千萬不要去，火線上太危險。”喻育之推開說：“匈奴未滅，何以為家”，扭頭去追趕隊伍了。
清軍進展緩慢，馮國璋著急了。戰鬥拖得越久，對他越不利。他咬咬牙，下令清軍燒城。11月1日上午，清軍不顧漢口居民的生命財產，火燒歆生路一帶房屋，燒一段進一段，一直燒到長江岸邊。繁華的漢口市區頓時湮沒在一片火海之中。火光衝天之際，漢口專職救火機構保安會和熱心市民，急忙上街滅火。清軍看到有人救火，喪心病狂地開槍射擊，當場槍殺了不少百姓。在火魔麵前，漢口革命軍陣地正麵及左翼的部分軍官兵失去了勇氣，擅自撤退。下午，漢口市區逐步為清軍占領。黃興見漢口革命軍已被打散，無法挽回敗局，遂決定退守漢陽，等待援軍，再圖恢複。11月2日，漢口完全失陷。
清軍攻占漢口後，一麵鞏固陣地，一麵調運槍械彈藥及渡河器材。一列列火車源源不斷地將援軍運來。馮國璋召開軍事會議，決定乘勝進攻漢陽，再攻武昌。當時，他手頭有清軍約三萬人。不過，協同作戰的海軍各艦中下級官兵傾向革命。提督薩鎮冰感歎自己“屢曆戰爭，從未一獲勝”，如今又不願意將炮口對準無辜百姓和革命同胞。經曆一番心理糾結後，薩鎮冰率艦隊在11月1日駛離戰場東下。
如果說馮國璋隻知道攻城略地，那麼袁世凱則考慮得深遠得多。他麵對的湖北軍政府是多方力量構成的混合體，立憲派的勢力強大。如果能不戰而屈人之兵，就最好了。11月10日，袁世凱派親信到武昌進行“和平”試探。袁世凱開出的和談條件是南北停戰，清廷施行君主立憲，湖北方麵效忠朝廷。黎元洪對和談很有興趣，對君主立憲也可以接受，但革命黨人拒絕效忠朝廷。民主共和必須實現，皇帝必須廢黜，革命黨人是朝著這個目標進發的，而且拋頭顱灑熱血已經取得了不小的成果，怎麼願意自動放棄呢？是的，革命軍現在是失利了，遇到困難了，但革命黨人相信困難是暫時的。湖北軍政府拒絕了袁世凱的和談試探。袁世凱誘和不成，放手讓馮國璋積極備戰，進攻漢陽。