九月初七日黃興偕李書城、耿覲文、曾可樓由上海趕到漢口，黃等就被留在漢口指揮革命軍。這時漢口已危在旦夕，武昌也人心浮動。黎元洪派人把黃接過江來，選了一匹大馬，叫一個高大的人舉著一麵旗子，上書“黃興到”三大字，騎馬在武昌城外繞了一個大圈子。黃過江和黎匆匆談了一下，就折返漢口指揮戰爭，布置最後防線於演春茶園。九月八日、九日、十日、十一日黃一麵抹汗，一麵電調各軍上火線，可是士氣不振，若幹人不聽指揮。黃親手殺了幾個，局麵才稍定，但漢口卒於十二日陷落。黃興渡漢水到漢陽，豪氣猶在，餘勇可賈，黎元洪再催請他渡江議事，黃乃於十二日下午抵武昌。
這時武昌因漢口失陷而岌岌可危，都督府內有人建議請黃興出任作戰總司令，黎欣然同意，乃於九月十三日在閱馬廠高築將台，舉行隆重的“拜帥大典”。將台上置有高桌，蒙以黃布，周圍是雄赳赳氣昂昂的武裝士兵，台口為營長以上的各級軍官，由都督府到將台過道兩旁，站滿了文武官吏，黎、黃兩人並轡而出，文官行脫帽禮，武官行撇刀禮，兵士行舉槍禮，氣象莊嚴隆重，有過於黎元洪就都督的誓師禮。
黎都督、黃總司令就位後，典禮開始，由李玉山宣讀黎都督的任命狀。這篇任命狀是一篇文辭典麗的文章：“黃君興險阻備嚐，功在民國，各軍當悉聽調遣。”宣讀任命狀後即由黎元洪都督授令、授旗、訓話，然後是黃興總司令答禮、答詞。黎都督退席後，黃總司令則騎著那匹已經騎過的高頭大馬，繞場巡行，全場官兵舉槍致敬，禮成。
當黃興就任革命軍戰時總司令，即以防禦漢陽為主要任務，設總司令部於昭忠祠，任命李書城為參謀長。李原在北京軍谘府任職，由載濤派其與黃郛南下。李、黃離北京後即決心革命。黃抵上海，留助陳其美；李則兼程來漢口，抵漢時漢口已失陷，遂投奔黃興。副參謀長一為楊璽章，一為吳兆麟，參謀有姚金墉、蔡濟民、徐達明、甘績熙、高建翕、賓士禮、金龍章、吳醒漢、夏維善等。參謀處的任務是沿襄河入江處起，迤黑山以下挖壕築堡，雇用民夫數千人，晝夜工作。當時兩軍苦戰，隔江、漢二水對峙。革命軍因漢口之戰損失過重，新成立部隊官兵大半未受訓練，因此不堪大戰。
九月十八日據報漢口方麵有清軍1萬餘人，在漢口劉家廟至橋口附近，並於上關、花樓、黑山對岸及沿江布防。革命軍則在對漢陽南岸嘴至三眼橋一帶防禦。二十三日決定渡河攻擊漢口，當時判斷漢口清軍兵力約一鎮以上。革命軍攻擊計劃：步四協張廷輔向漢口市街攻擊；步六協楊載雄向漢口龍王廟登陸，攻擊清軍左翼，武昌鳳凰山炮隊支援進攻部隊向漢口射擊，海軍炮艦亦加掩護，設信號於黃鶴樓、鳳凰山、大別山等處。九月二十六日渡襄河左岸攻擊，進攻時鄂軍在左，湘軍在右，鄂軍因係臨時召募，所以毫無作戰經驗，湘軍甚勇，但獨力難支，遂告敗北。革命軍傷亡慘重，計軍官57人，士兵792人，失山炮18尊，步槍600餘枝，子彈2300餘箱。
革命軍進攻漢口失敗，於是全力固守漢陽，清軍因洞悉革命軍方麵作戰實力不強，軍令亦不統一，於是大舉進攻漢陽。自辛亥年九月二十八日至十月初六，劇戰八晝夜，革命軍死軍官137人，傷85人；士兵死2693人，傷400餘人。至十月初七日上午10時，漢陽遂告淪陷。
清軍之攻漢陽，出動了強大兵力，配以新式德國管退炮若幹尊，實力在革命軍以上。革命軍守漢陽者，為鄂湘兩省軍隊，人數雖在5萬人以上，但缺乏作戰經驗，彼此又不協調，且全用於第一線，所以極感疲乏。漢陽之敗並不能怪黃興一人，可是由於黃興曾指揮過鎮南關之役、河口之役、黃花崗之役，都是攻敗垂成，遂使人對黃有雖勇而不能戰的印象。黃自己亦有年年敗北的感慨，其時譚人鳳詩有雲：“懷錘不遇粵途窮，露布飛傳蜀道通，吳楚英豪戈指日，江湖俠氣劍如虹；能爭漢上為先著，此複神州第一功，愧我年年頻敗北，馬前趨拜敢稱雄。”