随着驻守武汉新军主力随端方入川去镇压四川的保路运动，革命党人在武汉发动武装起义的时机终于成熟啦。
领导这次起义的是同盟会组织的两个革命团体：文学社和共进会。
1911年9月24日，文学社与共进会在武昌胭脂巷机关总部举行联席会议，商议起义计划。双方的主要领导及各标营代表共一百多人出席了会议。会议一致决议，定于10月6日发动起义，并迅即电知湖南焦达峰同时发难。会议还推举蒋翊武为武装起义的总指挥，设军事总指挥部于武昌小朝街85号文学社总机关部；另推刘公为未来的军政府总理，孙武为参谋长，刘复基、蔡济民、张廷辅等为参谋，杨时杰、杨玉如任内政，杨宏胜任交通，在汉口长清里98号（后迁至俄租界宝善里14号）设政治筹备处，牟鸿勋、梅宝玑负责草拟文告，制定旗号，孙武、潘公复、陈光楚制造炸弹，并随后即分派各标营队代表有关起义的具体任务。具体计划是：
1．混成协辎重、工程两队于外塘角放火为号，同协炮队分头占领凤凰山炮台及青山；2．第八镇工程营攻占楚望台军械库和中和门；3．二十九标、三十标、测绘学堂及南湖八镇炮八标会攻督署；4．南湖八镇马八标一部分警戒城郊，一部分入城担任传骑队；5．三十一标及四十一标留守部队攻占蛇山；6．驻汉阳的四十二标一部占领龟山炮台和兵工厂；7．驻汉口的四十二标一部占领汉口并进占武胜关；8．宪兵队彭楚藩等负责侦察官方动向及各军队的情报。邓玉麟、杨宏胜负责联络与输送弹药。
整个计划详细而又周密。
不料，是日散会后，南湖炮队部分革命士兵因为同营徐某饯行，酒后放言革命，被官长喝责，几至引发暴动，幸经邓玉麟及时劝阻，但10月6日举行起义的消息已经泄露出去。于是，湖广总督瑞澂立刻加强了戒备。他调集军队，排列机枪，保卫总督衙门；命巡警道严查武汉各码头，命黎元洪以所统新军一部保护汉阳兵工厂；又调集长江舰队及本省巡防舰多艘，一律停泊长江江面；下令收缴士兵子弹和枪炮机栓；向汉口德领事切商，多调兵舰来汉，如革命党暴动，立即开炮轰击。一时，武汉三镇形势紧张万分。在这种情况下，起义的准备工作遇到困难，加上黄兴、宋教仁等人来鄂日期未定；湖南的焦达峰又派人前来通知，说准备不及，请暂缓发难日期，原定的起义计划只好推迟举行。
10月6日，清军严阵以待，但起义并没有爆发，官方以为日期已过，才稍稍喘了一口气。
不料，意外的事件再次发生。
10月9日，孙武、邓玉麟等人在汉口俄租界宝善里14号机关配制炸弹时，刘公的弟弟刘同在旁边看边吸纸烟，纸烟火灰飘入炸药之中，顿时浓烟滚滚，火势熊熊，孙武的头部被烧伤，被人送往医院抢救。很快，租界内的俄国巡捕闻警赶到，搜去了尚未来得及隐藏的起义用的手枪、旗帜、册籍、文告等。刘公的夫人及其弟刘敦重等均被押到巡捕房，随即被清方引渡。这样，清方获取了革命党人的全部情况，准备按册捕人，情况一时十分紧急。
面对千钧一发的局势，邓玉麟、刘复基主张立即起义。下午5时，蒋翊武以临时总司令的名义签发了起义命令，以“兴复汉族，驱除鞑虏”为口号，定于当晚12时以南湖炮声为号起义。命令拟好后，派人送往新军各标营。但由于当时各营均闭门禁止出入，命令未能及时送达。午夜12时，南湖炮声未响，新军各营不敢贸然行动，而此时清方已接到小朝街85号设有革命党机关的密报，派军警前往围捕，刘复基、彭楚藩等人被捕，蒋翊武侥幸逃脱。清方又在工程第八营附近杨洪胜家，将杨捕获，并搜出许多炸弹。同时起义各机关也都被清方一一破获。
这样，武昌起义行动一时失去了指挥全局的枢纽。
瑞澂在杀害了刘、彭、杨三名革命党人之后，本该设法缓和武昌城内的紧张气氛，全力安抚各营官兵的不安情绪。然而，他却贪功求胜，下令关闭城门，继续搜捕革命党人，意图斩草除根。瑞澂扬言，革命党名册在其手中，必须一一拿办。同时谕令铁忠查获党人，一经拿获，不必细问，一律正法；复又命令各标管长官认真搜捕，不得阳奉阴违。如各营再有骚乱之举，该长官不但身受极刑，且灭其九族。瑞澂此举，无异于把与革命党人有联系的新军官兵逼上了绝路。他们认为，与其坐而待缚，不如奋起抗争，以求死里逃生。不久，步队三十标排长张廷辅被捕消息传出，新军更是人人自危，而发难拼死的决心也更坚决。在这种情况下，各营同志遂约定当晚发动起义，一经发动后均至城内楚望台军械库集合，然后进攻督署。
晚7时，工程第八营的程定国打响了武昌起义的第一枪。
据当事人熊秉坤回忆：
时已过七时矣，余乃嘱棚副下士临动作时，督率兵夫，守卫造饭，如官长有出者，即扣押，勿令其逸，亦勿加害，俟事成还彼自由。余复巡视前左右后四队，察验士气，均戎装以待，大有跃跃欲动之势，咸责余何尚不发枪应前约？余立允回棚，向枪架取枪。忽二排大喝一声，枪弹如雨，飞伤余棚，章胜恺、程风林当即死焉。先是余谓契友陶启元，汝兄素孤僻，不得人，想难免害，然汝亦革命党之一员，余不忍见汝家庭无限痛苦也。发动时汝盍往劝彼，勿反对。二排长陶启胜竟不听乃弟劝，反率护兵二名，径奔余棚，意欲先发制人，呵下士金兆龙曰：汝造反乎？金答曰：老子即造反，汝将奈何？陶唤捕，金与陶扭，金不能胜，即呼曰，吾辈今不动手，尚待何时？同棚程定国应声起，以枪托击陶头部血淋，陶释金逃，程继射一枪中陶腰部，此即首义第一声也。
程定国打响了发难第一枪后，全营暴动。熊秉坤立即集合队伍，前往军需房夺取了弹药，该营督队官阮荣发及右队队官黄坤荣、司务长张文涛前来弹压，为兵士所杀。其他军官见此情形，不敢阻拦，纷纷逃避。随后，熊秉坤带队出营，直扑楚望台。楚望台设有军械局，汉阳枪炮厂20年来所制造的枪炮子弹及历年所购置的外国枪支，皆储藏其内，只要占领了该局，枪弹即有足够的保证。当晚防守军械局的正好是工程营左队队官吴兆麟。吴兆麟原系日知会干事，素有革命大志，因而楚望台很快为革命军所得。不久，炮队第八标起而响应，在工程营的掩护下安全入城，到楚望台集合；方兴也带测绘学堂学生八十余人来到楚望台；同时，步队二十九标二营长蔡济民也带兵二十余名奔向楚望台。
随着涌往楚望台的起义士兵越来越多，熊秉坤指挥失灵，一时起义军秩序混乱。此时急需一个有威望的人出来领导，吴兆麟懂军事，平时威望又高，因而被推举为革命军总指挥。开始时他力辞不受，在众兵士的坚持下方才接受。他向大家发表演说，并宣布几条纪律。
诸君同志不弃，公举兄弟为革命军总指挥。兄弟与诸君当此起义之冲，均处危险地位，为民请命，亦属义不容辞。自满清蹂躏我同胞已二百六十余年，近又派瑞澂督鄂，无知无识，骄横已极，残杀我爱国同志，实为人神共愤。今晚首义，虽属瑞澂激成，实为清罪贯盈，天佑汉族。自此以后，即与满清势不两立。倘诸君不齐力奋斗，一旦失败，我辈皆同归于尽。但是天下事有志者事竟成，是在诸君之一德一心耳。昔武王伐纣，数千人一德一心，卒诛无道。同志今日，与武王伐纣正同。但宗旨抱定，举动更要文明，使中外人民共仰，知革命军为仁义之师，则外人必表同情，即瑞怙亦无所藉口，以派兵抗顺。我辈只求成功，不要权利。革命大义，即革命恶劣强权，顺天之命，以救国救民，处处从大者远者做去，未有不成功者。方今世界文明，各国都称军人为头等国民，既是头等国民，吾辈当为中国一切军队之模范。诸君素有大志，当深明革命宗旨。今为时仓促，战机紧急，毋庸兄弟多谈，既承诸君公举兄弟为总指挥，关于军事动作，不能不与诸君先约。诸君能服从命令，兄弟即牺牲一切，与诸君相始终，否则仍另请高明，兹将与诸君并守约章如下：
（一）各队受命后，彼此严密监视，不准有一人擅离队伍。
（二）各队受命后，必须照命令实行，如有不照命令，而自由行动者，共处死刑。
（三）不准侵害中外人民。
（四）各财政机关不准破坏。
（五）与我表同情之军队即欢迎之，否则奋力击灭之。
以上所约各条，诸君如表赞同，兄弟即下命令施行，共同杀贼，如将瑞澂等拿获，占领督署，我辈大事成矣。
随后，吴兆麟发布命令，命邝杰、马荣、熊秉坤各率工兵一队，分三路进攻督署衙门，同时命程国贞率炮队在中和门城楼及蛇山两处向督署开炮，蔡济民率步队二十九标已响应之一队掩护炮队在蛇山放列后，将电报电话线全部割断，另由方兴、任正亮率测绘学生一队防御中和门正街及通湘门，其他人在楚望台两端空地处待命，布置完毕，各队均按指定地点分途出发。
当晚子夜时分，小雨绵绵，月黑风高，各处电线已被割断，全城陷入漆黑一团，起义军的炮队因此迷失进攻方向，各路进攻督署的队伍也因督署教练队的阻击而难以前进。邝杰所带的第一路更是逗留不前，并退回楚望台，其余各路也停止进攻，枪声渐息。在这种千钧一发情况下，总指挥吴兆麟当即率敢死队百人，到督署后侧纵火，为炮队进攻指示方位。各路队伍见火光忽起，士气顿然大振，而督署守兵见督署后院起火，心里恐慌，特别是当他们得知瑞澂已逃走时，更是军心动摇，纷纷弃枪逃窜。天将放亮之时，起义军占领了督署。随后，留在城内的各营兵士纷纷归顺，到楚望台集合待命。吴兆麟随即派队将各城门防守，命工程第八营仍回军械局防御，又派陆军中学堂学生编为数队，防守藩库、官钱局、造币厂、各财政机关。同时派革命军围攻尚留在城内的第三十标旗兵残部，至第二天正午时分，武昌全城宣布光复。
武昌起义时，一江之隔的汉阳、汉口对武昌所发生的情况一无所知。那时，驻扎汉阳的新军为四十二标一营，该营负责防守汉阳兵工厂和钢药厂。四十二标中的革命组织是文学社第四支部，胡玉珍任正代表，邱文彬任副代表，10月10日晨，胡玉珍去汉口办事，遇到了从武昌逃至汉口的王宪章，乃知武昌革命机关已被破坏，王宪章嘱咐胡玉珍立即准备起义。胡回营后乃把机关被破坏的消息转告同志王缵丞。他们都还不知道武昌起义已经成功。王缵丞乃派人渡江去打听消息，才知道武昌已为革命军占领。胡玉珍立即与王缵丞等商量，决定当晚10时起义响应。10月11日晚，胡玉珍鸣枪为号，集合队伍发动起义。管带汪炳山逃走，队官宋锡全被推为指挥，驻兵工厂的左队，由邱文彬鸣枪集合，占领了兵工厂，并把三门大炮拖上龟山，做好防卫准备。汉阳宣告光复。
收复汉口的行动大体是与汉阳同时进行的。
当时，驻扎在汉口的新军有巡防营和新军第四十二标第二营，第二营革命代表为赵承武。11日上午，武昌起义的消息传至汉口，赵承武即与胡玉珍约定同时起义。当晚6时，管带陈钟麟传令各队加强警戒，并称瑞澂电调的河南巡防军即将抵汉，这一消息引起营中革命士兵的严重不安，赵承武当机立断，鸣枪三响，大呼“敌人来了”，于是左队，后队相继出动，标统张永汉、管带陈钟麟见状逃走。赵承武乃集合队伍，并举排长林翼支为指挥，率队向刘家庙前进，武昌方面也派军过江支援，这样，汉口除刘家庙地区外，也为革命军占领，至此，武汉三镇全部光复。
星星之火，可以燎原。武昌起义成功的消息很快传遍了大江南北，武汉一时成为全国万众瞩目的中心。在武昌起义的带动下，一场结束清王朝统治的革命烈火，就要在中华大地熊熊燃烧了。