孙中山利用这一有利形势，派黄兴、胡毅生、王和顺联络抗捐税民众和钦、廉两州乡团发动起义。七月二十四日，在钦州王光山，王和顺率二百余人首揭义旗，二十八日攻占防城，杀县令宋晁元，王和顺以“中华国民军南部都督”名义，发布文告，宣称起义宗旨是“扫专制不平之政治，建民主立宪之政体”。其后，起义军在进攻钦州、灵山时连续受挫。八月初十，起义军被迫解散，余部转入两广接壤的十万大山。钦、廉起义失败。
镇南关之役
光绪三十三年（1907年）十月，孙中山、黄兴、胡汉民又在云南镇南关（今友谊关）发动起义。二十五日，同盟会会员黄明堂率领八十余人由镇南关背面小路向清军发起攻击，夺取了镇南、镇中、镇北三炮台。二十七日，孙中山、黄兴、胡汉民亲到镇南关指挥。清军将领陆荣廷、龙济光指挥四千清兵与起义军血战七昼夜，清军又重新控制了炮台。孙中山率部被迫退往越南，此役宣告失败。
钦州、廉州、上思之役
镇南关起义失败后，黄明堂率领“中华国民军南军”短枪队200余人，在广东钦、廉两州及广西上思一带活动。光绪三十四年（1908年）二月二十五日，黄兴、黎仲实、梁建葵、黄明堂等在钦州再经发动起义。三月初二，黄兴指挥起义军于钦州马笃山，击败清巡防营统领郭人漳。是役使清兵“闻风而栗”，黄兴也因此声名远播。其后黄兴率部转战钦、廉、上思一带，历时两个月，大小数十战，四月初四，黄兴率兵退到越南。
云南河口之役
光绪三十四年（1908年）年三月二十九日，革命党人黄明堂、王和顺、关仁甫、梁金秀在孙中山、黄兴的指挥下发动起义，攻占云南河口，击毙清警察委员王正钧。四月初一，起义军击毙河口边防帮办兼营务处王镇邦，夺取了河口大炮台，缴获枪枝千余，子弹万发。
接着分兵北上。四月初五，起义军分别攻占了新街、蛮耗、蒙自。初八，黄兴到达河口指挥义军，遣兵占领南溪，俘获清管带胡华甫。十五日，清廷调重兵反击，云贵总督锡良亲自到通海指挥清军反扑。二十三日，王和顺在田房被清军击败，二十五日，清兵收复南溪。
二十七日，清兵攻占河口，历时月余的河口之役最后失败。
广州新军起义
这是革命党人利用新军反清的一次重要起义。起事之前革命党人在新军中做了大量的宣传和组织工作，且约定于宣统二年（1910年）元宵节举行起义。但是，这年除夕，新军士兵与警察发生了严重冲突，起义被迫提前。正月初三，革命党人新军炮兵排长倪映典在广州城郊率三千名新军仓促发动起义，旋进攻省城，结果被清军包围，倪映典战死，起义失败。
黄花岗起义
这是辛亥革命前夕，同盟会武装反清的又一重大军事行动。鉴于以前的多次失败，起事之前作了充分的组织和物资准备。孙中山委派黄兴组织指挥了这场起义，同盟会的许多骨干分子参与了这次军事行动。宣统三年（1911年）三月二十九日，起义爆发了，黄兴亲率敢死队120余人，向总督衙门发起了攻击，与清军展开了激烈的巷战。敢死队员奋勇冲击，前赴后继，杀伤了大量清军，起义军也付出了重大牺牲。黄兴、朱执信都负了伤，喻云纪冲锋在先，壮烈牺牲，林觉民、方声洞先后遇难。在敢死队进攻督署的同时，其他各路起义军也与清军展开了血战，但都因力量悬殊，先后失败。
皖浙起义
正当革命党人在西南边疆连续举行武装起义时，光复会会员徐锡麟、秋瑾等人在江浙会党和新军中展开了积极的革命宣传和组织活动。光绪三十三年（1907年）初，徐、秋决定在六月初十于安庆、绍兴同时发动起义。六月初四，徐锡麟利用安徽巡抚恩铭参加安庆巡警学堂毕业典礼之际，刺杀了恩铭，随后带领学生攻占军械所。清军疯狂扑击，包围了起义者，双方激战六小时，革命党人陈伯平战死，徐锡麟、马宗汉等20余人被捕。当晚，徐锡麟被害。次日，秋瑾于绍兴被捕。初六，秋瑾被害。皖浙起义失败。
此外，在光复会皖浙起义的影响下，光绪三十四年（1908年）十月二十六日，安庆马炮营军官熊成基，发动起义，并指挥义军进攻安庆城，激战一昼夜，义军没能攻下城池，转攻省城，亦不下。于是他兵退庐州，并离开起义队伍，起义失败。
同盟会领导的上述武装起义虽失败，但却沉重打击了清王朝的反动统治，极大地推动了人民群众的反封建斗争，为辛亥革命的胜利创造了一定历史条件。
武昌起义
革命党人策划起义
清宣统三年（1911年）四月，清政府借口实行铁路国有，将民办的川汉、粤汉铁路收归国有，并将铁路修筑权作为抵押，向英、法、德、美四国银行团借款。川、鄂、湘、粤等省人民对清政府的卖国行径极为愤怒，展开了各种形式的反抗斗争。
宣统三年（1911年）正月初一，湖北革命组织文学社宣告成立，蒋翊武为社长，詹大悲为文学部长，刘复基为评议部长。它将“推翻清朝专制，反对康梁的保皇政策，拥护孙文的革命主张”作为宗旨，得到广大新军士兵的拥护。越来越多的新军士兵加入文学社。
文学社还努力促进与共进会的联合。由于会党群众不受约束，难以依靠他们来取得革命的成功，湖北共进会领导人孙武也开始将工作重点转向新军，有大批新军加入了共进会。这就使湖北革命运动由宣传发动阶段迅速进入到行动阶段。
黄花岗起久失败后，本来准备响应起义的共进会加强了与文学社的联系，在两湖地区抓紧酝酿革命行动。七月二十二日，文学社、共进会举行了联席会议，会议讨论了两团体的合并问题，并计划在武昌采取行动，发动起义。会议决定建立统一领导、统一指挥、统一计划、统一行动的机构。军事方面，蒋翊武任总指挥，孙武任参谋长。指挥部设在武昌小朝街八十五号。政治方面，刘公任总理，并公设若干政治筹备员负责文告、印信、符号及炸弹制造等，总部设在汉口租界。两个革命团体的合并，使武汉地区革命力量迅速扩展。
在总数约为1.7万名的湖北新军中，到武昌起义爆发前夕，有1/3以上的人都加入了革命团体。
八月初三，文学社、共进会举行联合会议，商讨起义事宜：中秋节起义，推举蒋翊武为临时总司令，孙武为参谋长，在军事方面做出了种种部署，在组织上为发动起义做好了准备。但恰好在此时出现了南湖炮八标士兵暴动，打乱了整个起义部署。
八月初二晚，炮八标三营左队士兵汪锡九、梅清福等请假离营，同营参加革命团体的兵士赵楚屏、霍殿臣等为这些人送行，他们的活动遭到了值日排长刘步云的干涉，众人很是不满。第二天，部队竟对汪、梅、赵、霍四人处以军棍的惩罚，这惹恼了士兵们，他们当即捣毁了营房的玻璃、家俱，并从炮房中拉出了大炮。有新军士兵跑到城内去向孙武、邓玉麟等人报告情况，要求立即下令起义。文学社与共进会马上召开紧急会议，商讨此事。
会上根据刘复基的意见，决定仍照原来的计划行事，让为首的赵楚屏、霍殿臣等“逃亡”
在外，其他人仍回到自己的部队听候命令，一切过错都可推诿于赵、霍二人身上。南湖事件很快平息下来，没引起大的风波。
武汉的局势十分紧张，革命党人准备发动起义的消息被清朝军警侦知，他们经常派探子在革命党机关周围窥视。八月十八日，孙武等人在汉口俄租界宝善里十四号内制造炸药，这时候刘公的弟弟刘同手挟着香烟走进来，不巧香烟灰余烬引起了炸药爆炸，孙武的面部被炸伤，当即被抬往法租界同仁医院救治。租界巡捕闻声赶来，革命党人只得仓促撤离。
革命党人制好的旗帜、印信、文告、钞票和党人名册都落入了巡捕的手中。清朝军警遂大批出动，在武汉三镇进行搜捕。
起义爆发
武汉的革命党人正处在危急关头。宝善里事故发生的当天上午，蒋翊武、刘复基、彭楚藩等人在武昌小朝街八十五号机关部商议起义日期，宝善里事故他们直到下午才得知，本来议定要等待黄兴来后再发动起义，此时，大家一致同意提前起义，“只有提前干，或可死里求生”。根据以前的计划，蒋翊武草拟了一道命令，派人分送各标、营，命令于当夜十二时发动起义。
是夜，蒋翊武、刘复基、彭楚藩等人在小朝街机关部静等起义的举行。但是，意外的事件发生了，清廷军警逮捕并杀害了刘复基、彭楚藩等革命领袖。由于南湖炮队没有接到起义的命令，而没有采取行动，其他各标、营、队的革命士兵也没有贸然发难。
尽管清廷破坏了革命党领导机关，大肆捕杀了许多革命党人，但是革命的行动却无法遏止。根据十八日机关部传下的起义命令，新军中的革命士兵暗中开始组织起来。十九日，起义首先在拥有雄厚革命基础的工程营中爆发。共进会员、工程营革命党人总代表熊秉坤在士兵中很有威信，与三十标、二十九标的党人取得联系，部署了起义一事，与二十九标的蔡济民约定晚间点二道名时，由工程营鸣枪三声为号，发动起义。
十九日晚工程营士兵金兆龙、程正瀛与巡哨的排长陶启胜发生冲突，程正瀛打响了武昌起义的第一枪。
枪声划破了宁静的夜空，工程营的士兵立即响应，拿起枪枝，奔出营房。熊秉坤马上集合起义的新军，向清军发动攻击。在密集的枪声中，反动军官纷纷躲了起来，革命士兵控制了全营。熊秉坤带领着部队奔向楚望台军械库，去夺取武器弹药。守卫军械库的李克果在听到枪声后，下令士兵拼命抵抗。守库的工程八营左队革命党人罗炳顺、马荣乘机提出“没有子弹，怎么抵抗”。李克果命令打开军械库分发子弹。罗炳顺、马荣得到了子弹后，立即鸣枪宣布起义。熊秉坤率部赶到后，两支起义队伍汇合在一起，控制了军械库。
二十九标在听到工程营起义的枪声后，蔡济民立即鸣枪响应，率众击退了前来阻挠的反动军官，冲出了营门，沿途击毙了三十一标的一些旗兵，来到楚望台。测绘学堂的士兵在晚自习时，听见起义的枪声后，学生们立即行动起来，在方兴、李翊东的组织下，向军械库进发，与先期到达的其他革命士兵一起汇合。
南湖炮八标早就做好了起义的准备，当晚，城内响起了枪声，城北塘角方面火光冲天。
徐万年、王鹤年、蔡汉卿等人马上拖出大炮，发炮以示响应。随后便拖着19尊炮向中和门前进。沿途他们击溃了伏击他们的清军，与城内派来迎接的金兆龙等部、绕城而来的第二十一混成协辎重、工程两队的革命士兵汇合，一起到达楚望台。
后来又有不少革命的新军士兵到达楚望台军械库，他们齐集在起义的大旗下，在楚望台商量如何进攻督署。这时，反革命军队聚集在城西南角，革命军在东南角。革命军不仅占据有利地形，将城内制高点掌握在手中，而且还有充足的枪械，占有一定的优势。所以革命军决定迅速攻下督署，不给敌人以喘息的机会。曾参加过日知会，有较多军事知识的工八营左队队官吴兆麟被推举为临时总指挥，以指挥众人攻打总督衙署。吴兆麟当众宣布了约章，命令熊秉坤、马荣、邝杰各领兵分三路进攻督署；程国贞指挥炮队，在中和门城楼及蛇山等处布设阵地，向督署及第八镇司令部发起炮击；其余分别执行巡查、策应、防守等任务及后备待命。
接近午夜时分，起义部队向督署发起了猛攻。第一、二次进攻都失利了，第三次进攻开始后，在督署附近放火照明，火光冲天，炮队得以准确地发炮击中督署的所在地和第八镇司令部马房等处。各路革命军突破防线，第八镇司令部被起义军攻克，随后义军逼近督署。湖广总督瑞徵见革命党人攻势甚猛,惊恐万状，仓皇逃窜，乘“楚豫”号兵舰离开武昌。
在争夺督署的激战中，守敌依靠几挺机枪的火力压制住起义军，并组织反扑，起义军一度退守保安门。由熊秉坤等数十人组成的敢死队攻到总署辕门下，在勇士们一次次的进攻下，湖广总督衙门终于落到革命军的手中。
次日清晨，革命军占领了武昌城所有的官署与城门，红地十八星旗高高地飘扬在黄鹤楼上空，武昌起义获得了胜利。
革命政权的成立
武昌起义胜利后，建立革命政权成为革命党人面临的最紧迫的任务。此前在文学社、共进会酝酿联合时，在都督的人选问题上双方没有能达成一致，为了不妨碍双方的联合，只好将都督一职空缺。文学社、共进会正式联合后，都督的席位仍然空缺，而是派居正、杨玉如二人赴上海邀请黄兴、宋教仁、谭人凤来湖北主持。可在此时，黄兴、宋教仁都没有到鄂，加之清军又破坏了起义指挥机构，革命领袖被害，直接领导起义获得成功的指挥官却资历不足，无法担当统帅全鄂新政权的工作。
起义军一攻占整个武昌城，蔡济民、高尚志、陈磊、李翊东、张振武等人就聚集到谘议局筹商建立新政权的问题。起义者也邀请了以汤化龙为代表的立宪派来参加会议。很显然，推举一个合适的人来担任都督、成立军政府是当前最需要解决的问题。立宪党人提出由第二十一混成协统领黎元洪担任都督，刘赓藻说：“黎元洪就在城内，如果大家认为合适，就该马上去找他。”革命党人在自己内部找不出合适的人选，而汉口、汉阳还在清军手中，当务之急是找一个人领导他们巩固已取得的胜利，因而大家同意推举黎元洪为都督以资号召。
黎元洪此时正在黄土坡。就在攻克督署后不久，担任巡查的马荣、程正瀛抓住了为黎元洪搬运行李的伙夫，他们从伙夫那里得知黎元洪藏匿在黄土坡第四十一标第三营管带谢国超家。吴兆麟立刻命令马荣、程兆瀛带人赶到黄土坡去找黎元洪。在谢国超家中，革命者们见到了黎元洪，马荣等人便将黎元洪拥至楚望台。黎元洪对让他出任都署之议极力拒绝，马荣十分恼火，拔出刀来威胁，逼他非革命不可。随后，众人又簇拥着黎元洪来到谘议局，刚一进门，就有人大声喊：“都督到了。”黎元洪这时没有再吭声。
下午，经过讨论，汤化龙被推举为会议主席，汤化龙提出向各省发出通电，号召响应武昌起义。在发言中吴兆麟表示公推黎元洪为湖北都督，汤化龙为湖北民政总长，由二人来主持大计，号召天下。黎元洪仍不答应，不肯在布告上签署自己的名字，李翊东端着长铳逼迫黎元洪，黎元洪仍是沉默不动。李翊东拿起笔写了一个“黎”字，在场众人齐声叫好。
革命党人推举黎元洪为都督只不过是利用黎元洪的声望来稳定并号召人心，实际上他们并不要黎元洪做什么实际工作。他们成立了谋略处，这是革命党人真正的政权机构，谋略处以蔡济民为首，由邓玉麟、吴醒汉、张廷辅等15个人组成。谋略处议定以谘议局为军政府及都府；宣布成立中华民国；改纪元，称黄帝纪元四千六百零九年；他们用都督黎元洪的名义向全国各省发出通电，宣告政府成立，在军政府下设立参谋、军务、政务和外交四个部。