起義發動之後，熊秉坤等率眾直奔楚望台軍械局。把守軍械局的工程營士兵頓時紛紛加入起義隊伍，起義士兵的戰鬥力和信心越發得到加強。駐守軍械局的工程營左隊隊官吳兆麟，曾經參加過革命團體日知會，所以立即被推為臨時總指揮，吳兆麟立即帶領隊伍進攻總督衙門。這時各團營新軍革命士兵聽到槍炮聲和工程第八營起義的消息後。也都紛紛起義。起義隊伍聲勢更加浩大。經過一夜戰鬥，到11日拂曉，武昌就被革命軍全部占領了。11日晚和12日早，漢口和漢陽新軍也發動了起義。武漢三鎮全部為革命軍所占領。
武昌起義成功得這麼快，是大家所沒想到的。這時候，孫中山遠在美國，黃興還在香港，而當時策劃起義的共進會和文學社，因為起義前的事件，領導人有的犧牲，有的藏匿，因此，起義成功後，該由誰出麵組織政府？經過激戰的革命士兵，聚集在武昌湖北諮議局開會。他們四處找人，找來了立憲派、地方坤士，和一些沒來得及逃走的官吏。要他們參加推舉都督，成立革命政府。革命黨人對朋友和敵人的觀念還十分模糊。
起義的士兵還認為，當都督的總應該是有“聲望”的人，有人提議熊秉坤和吳兆麟當都督。而起義發起者熊秉坤和臨時總指揮吳兆麟一個是班長，一個是連長。他們自己也覺得自己缺乏威望和指揮經驗，難以控製今後的局勢。會場上的立憲派有人看準了勢頭，便提議讓原清軍協統（旅長）黎元洪當都督。
黎元洪是湖北黃陂人，曾在北洋海軍裏任職。起義的當天晚上，他坐鎮軍營，曾親手殺死過一名響應起義的士兵，後來革命黨人派來的聯絡人員，也被他槍殺了。人們找到他讓他出麵主持軍政府，擔任都督。他怎麼也不肯，後來，在革命黨人的槍口逼迫下，他才無奈就任。這時，立憲派頭子、湖北諮議局局長湯化龍，也被推舉擔任了民政總長。黎總洪被迫上台後，終日一言不發，也不肯剪去辮子。革命黨人無可奈何，把他監視起來，另外組織了一個“謀略處”處理重要軍事問題。並以黎元洪的名義，通電全國。
湖北軍政府成立後，宣布把國號改作“中華民國”，中華民國的主權屬於人民，表示支持和同情各地人民群眾的鬥爭，號召各地人民響應起義，推翻清朝的統治。軍政府又陸續發布文告，宣布人民享有民主、自由、平等的權利；宣布廢除一切苛捐雜稅，廢除當年和往年所欠的田賦。
軍政府的革命政策，得到了群眾的擁護，激起了他們革命的熱情，工人、農民、知識分子紛紛報名參軍。接著又在與清軍的一次交戰中打了一個大勝仗，攻占了清軍的陣地。
革命形勢越來越好，當了幾天木頭人的黎元洪也活躍起來，積極把持政權。一些投機分子看到起義成功，也都自稱“擁護共和”鑽進革命隊伍中，控製形勢的發展，而且勢力越來越大。起義雖然成功，卻隱藏著巨大的危險。
武昌起義勝利的消息很快傳遍全國。湖南、陝西、山西、江西、上海等10多個省份一個接一個發動起義，成立軍政府，宣布獨立。清王朝在各地的統治迅速瓦解。因為1911年是舊曆辛亥年，所以這次革命被稱為辛亥革命。