至十一時，楚望台已聚集近三千人馬，於是吳兆麟、熊秉坤乃率隊進攻督署。湖廣總督瑞澂在武昌的心腹部隊，有教練隊一營、機關槍一隊、消防隊一隊。自聞新軍不穩，又調巡防軍三營及騎兵一隊入城；加上輜重營和憲兵營、第三十標旗兵營、第八鎮司令部衛兵和警察等，合計不少於五千人。曾任標統的李襄麟、白壽銘分任指揮，兩路防守督署。長街為左路防線，前線在王府口以至南樓；保安門正街為右路防線，前線在保安門，其間大街小巷，道布伏兵。起義軍由於兵力不足，第一次進攻失敗。在此緊急關頭，駐紮南湖的炮八標入城，在中和門、蛇山建立炮位，吳兆麟立即令其向督署開炮，同時命周定源、黃楚楠、楊金龍等各帶士兵三、五人不等，一由王府口至小都司巷，一由水陸街進大金龍巷，一由保安門正街至望山門正街，分路前往放火。半小時後，督署附近烈焰照空，炮標乘勢猛擊。民軍王世龍攜煤油、木柴，爬上鍾鼓樓亭放火，照亮督署前旗杆，民軍炮隊得以瞄準射擊，轟坍督署房屋多處。民軍紀鴻鈞提煤油一桶，入督署廳旁點火，火勢燃及大堂，清軍潰逃。開始，瑞澂還在組織抵抗，等到督署簽押房中彈，他令張彪、李襄麟等堅守，自己卻攜帶家小，以及督署總參議鐵忠、憲兵營管帶果興阿，從後圍牆鑿開一洞，在一排衛兵簇擁下，出文昌門登上停泊江邊的楚豫兵艦。
瑞澂逃走之際，革命軍各標營次第會師，踴躍請戰。吳兆麟再次發布命令，分三路進攻督署。這時已是10月11日淩晨二時半了。
第一路由鄺傑率領，由紫陽橋向王府口搜索前進，第二十九標蔡濟民所部附入該路。進至紫陽橋以西，受到清軍阻擊，退回工程營待命。後蔡濟民部繞道王府口以北，因鄺傑未到，進至長街善後局附近即行停止。第三路由熊秉坤率領，由津水閘向保安門正街搜索前進，第三十標馬明熙、吳醒漢各一部及二十九標張鵬程一部附入該路。在津水閘為敵所阻，吳醒漢部傷亡數人，張鵬程抵保安門附近，亦不支而退。第二路由馬榮率領，向水陸街搜索前進，為一、三兩路的策應部隊。臨近拂曉，革命軍雖兩路退卻，而氣不稍餒，加之炮隊已占領蛇山陣地，塘角入城之軍已掃清山後退路，第四十一標布防大東門閱馬場一線，聲勢為之一振。
第二次進攻開始，並議定放火助攻；兼為炮隊提供目標。第一路指揮鄺傑改為黃楚楠，第二十九標姚金埔、張鵬程部並入此路。第四十一標胡廷佐部則出三佛閣，進占官錢局、善後局、電報局；闕龍與王世龍、胡培才等，則徑向督署方麵躍進；鄧飛鵬、柳滌凡、任得勝
等率部沿途警戒。第二路仍由馬榮率領，第二十九標高尚誌部、第三十一標吳醒漢部，隨同前進。第三路熊秉坤率部擔任正麵進攻，徐兆賓等率支隊向崔家院、恤孤巷搜索敵軍，向保安門正街前進；炮隊陳國楨以山炮二尊架設保安門城牆，由曹飛龍率兵掩護；伍正林一部沿保安門城牆側擊。第二十九標胡效騫、杜武庫、楊選青、夏一鳴等部、第三十標馬明熙、徐達明、彭紀麟、徐紹孺等部皆屬第三路。故第二次進攻時，第三路兵力最為雄厚。伍正林部在恤孤巷遇伏敵襲擊，未能達到保安門正街，放列保安門城牆之山炮，竟為敵有，戰事進展不利。這時，張彪親自督隊反擊，並在城牆上出示布告：
本統製帶兵不嚴，致爾等叛變，汝等均有身家，父母妻子倚閭在望，汝等宜早反省，歸隊回營，決不咎既往；若仍冥頑不靈，則水陸大兵一到，定即誅滅九族，玉石俱焚，莫謂本統製言之不預也。
革命軍方麵，伍正林因進攻受挫，幾欲自刎以殉，為左右所救。眾乃共組敢死隊，向保安門衝擊。熊秉坤、馬榮、伍正林、杜武庫、楊選青、徐兆賓、彭紀麟、胡效騫、馬明熙、徐紹孺、陳振武、饒春棠、淩振邦、陳連魁、楊正全、張得發、孫鬆軒、趙道興、宋厚德、紀鴻鈞、張鬥熙、李自新等為隊員，一直衝上城牆，與城下革命軍相呼應。
第一路在紫陽橋與清軍交戰甚猛。後清軍因無炮兵為助，又見王府口以北有革命軍，乃撤去紫陽橋防線，退至王府口西端。張鵬程冒險衝至西端縱火，居民協助之，且有喜色，民心向背，於此可見。大都司巷之北，清軍有機關槍排列，當革命軍躍進時，機關槍多成啞巴，張彪聞訊更加慌亂。有一挺打得響的，被工程營同誌蛇伏前進奪得，倒轉槍口回擊，清軍死十餘人。大都司巷清軍不支，向東轅門撤退。督署附近的清軍輜重八營亦不敢戀戰，悄悄退往漢陽。張彪雖奉命死守，但軍心已去，勢難久持，他一麵下令所屬繼續抵抗，一麵自己率領衛士渡江退走漢口劉家廟。
第一路的一個支隊，在蔡濟民指揮下，衝進水陸街，在“乾記衣莊”放火。放火前，革命軍高呼居民“宜速避”，並說所受損失“事成如數賠償”。店主說：“何須賠，煤油在此，請君等動手。”
士兵們於是大放起火來，火勢衝天，照耀督署前門高杆。蛇山炮隊，連聲命中。蔡濟民部與第一路軍主力會師後，再次向督署發起進攻。署內員役，紛紛走避，惟教練隊尚以督署圍牆作掩體，繼續抵抗。革命軍指揮即命傳騎隊通知中和門和蛇山炮位，一向火光之北，一向火光之南發炮，督署守衛頓顯動搖，革命軍敢死隊乘勢衝至東轅門內與敵對射，熊秉坤、闕龍等人奮勇直前；王世龍取煤油燒鍾鼓樓，中彈陣亡。鍾鼓樓火起，督署目標益加顯著，各處炮轟，幾乎無不命中。敵教練隊退到轅門以內。大堂之清軍，用機關槍掃射，革命軍受阻。敢死隊改以環形包圍圈形式前進。紀鴻鈞攜煤油躍至門房放火，壯烈犧牲。其他戰死者尚有彭華封、張鬥熙、宋厚德、趙道興、李自新等多人。火燒到大堂，教練隊非死即俘；巡防營早已潰散；騎兵第十一營兩隊，由革命代表召歸建製；憲兵、警察等都換便服逃散。清廷的湖北最高統治機關湖廣總督督署，終於被革命軍所攻克。
自八時許工程第八營打響首義槍聲，迅疾奪占楚望台軍械庫，十時許開始攻擊清湖廣總督署，經一夜激戰，至11日清晨攻克督署，前後不足十二個小時。
督署既已克複，下一攻擊目標為藩署。藩署是湖北布政使衙門和藩庫所在地，湖北全省現金均彙集於此。第四十一標胡廷佐部根據預定計劃，曾於夜間進攻，但未得手。二十日天明，蔡濟民派隊來助，鳳凰山炮兵陣地，亦發炮攻擊，布政使連甲率衛兵抵抗了一夜，拂曉時也隻好越牆逃走。旗兵隊官某企圖搶劫庫銀，當場被革命軍捕殺。胡廷佐部奉命守衛藩庫，滿庫都是銀錠、銀元、台票，守庫士兵恪遵紀律，不私掠分文。
10月11日上午，武昌全城為革命軍占領。九角十八星旗高高飄揚在黃鶴樓頂。
一江之隔的漢口、漢陽於11，12兩日相繼光複，相比武昌就輕鬆多了。
漢陽與武昌、漢口隔江相望，為漢陽府所在地，有當時全國最大的鋼鐵廠、兵工廠和一些附設工廠，是民軍和清軍的必爭之地。瑞澂逃登楚豫艦後，曾派建威、湖隼兩魚雷艇前往漢陽，以控製兵工廠，他認為：“此廠得可保全，則亦大局之幸。”然而，武昌起義後，漢陽駐軍很快反正，清方保住漢陽兵工廠的企圖化為泡影。漢陽駐軍是第四十二標第一營。該營防守漢陽兵工廠和鋼藥廠，營部設在兩廠之間的龍燈堤。第四十二標的革命組織是文學社第四支部，胡玉珍為本支部正代表，邱文彬為副代表。9月中旬黨人定起義計劃，四十二標也分配了任務，10月9日的臨時決定，卻未能及時通知。漢口長清裏、武昌小朝街機關相繼敗露，漢陽駐軍黨人尚一無所知。11日早晨，胡玉珍上街采買東西，發現輜重八營的士兵潰退至此，十分狼狽。而且武昌的漢陽門緊閉，城頭士兵臂纏白布，城門口遍貼布告。他才知道武昌已經光複。11日晚，胡玉珍鳴槍為號，右、後兩隊齊赴操場集合，管帶汪炳山逃走，隊官宋錫全被推任指揮。隊官周拓疆也參與起義。駐兵工廠的左隊，由邱文彬鳴槍集合，並布哨龜山，又以大炮三尊架於山頂。由武昌逃來的清軍輜重八營殘部見漢陽已變，轉逃漢口。駐鋼藥廠的前隊，由同誌戈承元、張大鵬帶領驅散廠警後，以一小隊分防黑山。
10月12日晨，有清方軍艦一艘，滿載武裝士兵，自劉家廟上駛至黃鶴樓江麵轉向龜山而來，邱文彬當機立斷，下令開炮轟擊，擊中船尾，敵艦知已有備，向下遊逃去。後來才曉得此艦專為瑞澂、張彪運兵進駐兵工廠的，故這次龜山炮擊，關係相當重大。
革命軍占領漢陽，掌握軍事工業，不僅關係武漢戰守，鄰近各省起義軍的軍火供應亦可解決。當日檢查廠中成品，計有快槍八千餘枝，半成品十一萬餘枝，子彈二百餘萬發，五生七的過山炮五十六尊，鋼炮一百零八尊，裝成的炮彈三萬發。鋼藥廠存棉花一庫，硫磺、無煙白藥等數百罐，其他物資器材無數。其後陽夏戰爭所需和接濟江西、湖南、四川的槍械，均取給於此。
清政府在漢口設漢黃德道兼江漢關道；湖北巡警道亦設漢口。漢口地方行政則有夏口廳同知（隸漢陽府），廳有仁義、禮智兩巡檢司。駐軍有巡防營和新軍第四十二標第二營，標統為張永漢。該營官兵很多人都剪了辮子，張永漢表麵開通，不置可否，但暗中防範。
第四十二標第二營駐漢口居仁門，10月11日武昌光複的消息傳來，二營革命代表趙承武正擬派人到漢陽約定同時響應，胡玉珍恰好趕到，趙、胡當即決定夜間行動。傍晚六時許，管帶陳鍾麟還在威脅士兵“不許亂動”，營中黨人怒不可遏，趙承武乘勢鳴槍三響，大呼“敵人來了！”全營震動，左、後兩隊出營集合。趙承武臨時約法三章：一、挾私報告者斬；二、爭權奪利者斬；三、擾害商民者斬。標統張永漢早有戒心，見狀即偕陳鍾麟逃走。趙承武意欲推張、陳為指揮，尾追至大智門，不見張、陳蹤跡始返。舉排長林翼支為指揮，拔隊向劉家廟前進。發現劉家廟車站已被河南部隊占領，無奈返回。漢口順利光複。
以上就是首義的大致全過程。雖然很順利，但是並不輕鬆。數次生死一線之際，卻都能峰回路轉，柳暗花明。大概滿清王朝確確實實氣數已盡，連上天都厭倦他了，一點運氣都不給。