月27日下午5時30分，黃興率選鋒隊員120餘人，臂纏白布，手持槍械炸彈，吹響海螺，直撲總督衙門。經過激戰，起義軍擊斃了衛隊管帶，打退了負隅頑抗的督署衛隊，一舉衝進署內。總督張鳴岐早由後壁逃至水師行台，與水師提督李準一起部署兵力，圍攻起義軍。黃興下令焚燒總督衙門，隨後轉攻督練公所，途中遇李準的親兵大隊，雙方展開激戰，旋突圍而出。這時黃興將所部分為三路：徐維楊率花縣黨人攻打小北門，接應新軍；川、閩及南洋黨人攻打督練公所；黃興一路出大南門，接防營同誌人城。攻小北門的一路在源盛米店、司後街等處與清軍交戰失利，轉攻飛來廟又未成功，大部分壯烈犧牲。攻督練公所一路與防營激戰，喻培倫胸前掛一筐炸彈，所向披靡，彈盡被捕，其餘選鋒隊員也或死或傷。黃興一路行至雙門底，與同誌溫帶雄部相遇，因溫部未帶白巾，致誤會交火，溫帶雄及方聲洞等犧牲。在戰鬥中，黃興右手中食二指被打傷，仍英勇奮戰，率眾且戰且退，直到隊伍被打散，剩下他一人時，才躲人一小店，化裝後出城到女同誌徐宗漢所在機關，後返抵香港。
起義軍經過一夜激戰，終因敵眾我寡而失敗。戰鬥中英勇犧牲或被捕後慷慨就義的有80餘人。事後，廣州革命誌士潘達微多方設法，收斂犧牲的烈士遺骸72具，合葬於廣州城郊紅花崗，並改其名為黃花崗。因此，後來稱這次起義為黃花崗之役。
清華學堂創辦
清華學堂是現在清華大學的前身，它創辦於1911年。在美國，清華學堂或清華學校被稱為"賠款學校"，這是因為清華學堂的建立與美國"退款辦學"有著密切的關係。
年9月，清政府與英、俄、德、法、美、日、意、西、荷、比、奧等11國簽訂了喪權辱國的《辛醜條約》。條約規定，中國政府向上述11國賠款白銀4億5千萬兩，分39年還清，本息共9億8千萬兩，此即著名的"庚子賠款"。其後，上述11國根據出兵多少、損失大小等分配賠款數額，美國分得白銀3200多萬兩，折合美元約2400多萬。美國分得賠款後，經過仔細核算美國出兵中國鎮壓義和團的軍費和美國在華傳教士與商人的損失後，尚餘出1100多萬美元。1904年，美國總統羅斯福和國務卿海約翰提出將剩餘的賠款退還中國，並表示需要求中國必須把這筆退款用於派遣中國學生留學美國之用。經過4年的"退款辦學"的交涉，到1908年7月，清政府正式照會美國駐華公使，表示接受美國提出的"退款辦學"的條件，並初步提出了遣送留美學生辦法。同年10月，清政府草擬了遣派遊美學生規程，由袁世凱簽署後交美國公使審查修改。經美國公使審查修改後的清朝遊美學生規程規定：自美國退款的第一年（1909年）起，清朝政府在最初4年內每年至少要派100人赴美留學，如果到第4年派足了400人，則自第5年起每年至少要派50人赴美留學，直到退款用完為止。在這批學生中，規定80％學農業、機械工程、礦業、物理、化學、鐵路工程、銀行等，其餘20％學習法律、政治、財經、師範等。在派遣留學生的同時，中美雙方還商定在北京由清政府外務部設立一所留美訓練學校（TrainingSch001），如有必要可在其他城市設立分校。
年12月31日，美國國務卿魯特正式通知中國駐美公使：美國總統已決定自1909年1月1日起開始對中國實行退款。
年1月，清政府外務部根據與美國公使商定的《遣派留學生規程》（草案），立即著手籌辦遣派留學生事宜。5月，又會同學部擬訂了《遣派留美學生大綱》。在大綱的第一條規定，"設遊美學務處，由外務部、學部會派辦事人員，專司考選學生，管理肄業館，遣派學生及駐美監督通信等事，並與美國公使所派人員商榷一切"。
年6月，清政府在北京設立了遊美學務處，由外務部和學部共同管轄。該處設總辦1人，會辦2人。總辦是曾做過駐美公使參讚和遊美學生監督的外務部左丞左參議周自齊，官職名為"學部參上行走"。會辦則由外務部和學部各派1人參加，一個是學部員外郎範源濂，一個是外務部候補主事唐國安。
遊美學務處成立之初，租賃了北京東城侯位胡同一所民房為辦公處，後遷入史家胡同。
年8月，遊美學務處在史家胡同招考了第一批留美學生。從630名考生中錄取了47人，並於同年10月赴美。1910年7月，遊美學務處又招考了第二批留美學生，從400多名考生中錄取了70名，並於同年8月赴美。這次還錄取了備取生143人，以備人肄業館訓練。1911年6月，遊美學務處又考選了第三批直接留美生63人，於同年7月赴美。上述三批直接留美生共180人，都是20歲以下的青少年男生，大多來自國內各教會學校或省立高等學堂。這些學生因為是經過遊美學務處進行"品學甄別考試"後送往美國留學的，所以又被稱為？甄別生"。此外，1911年還曾挑選了一批十一二歲的幼年生12人於1914年8月赴美就讀中學。清政府之所以招考幼年生，是認為自小培養才能收到"蒙以養正"之效。