黄花岗起义失败后，广州地区的革命力量损失很大，一部分革命党人决定把注意力集中在长江流域，在以武汉为中心的两湖地区发动一次新的起义。经过两湖地区革命党人的努力，起义终于在1911年（农历辛亥年）10月10日成功地发动了，这就是具有划时代意义的辛亥武昌起义。
辛亥武昌起义前夕，中国社会各种矛盾空前激化。人民群众自发的反抗斗争此起彼伏，和资产阶级革命党人连续不断的武装起义相呼应，这表明，被统治阶级已不能照旧生活下去了。清朝统治阶级内部也发生了分化。1906年，清政府抛出“预备立宪”骗局，实际上却不断加强皇族权力，引起立宪派和部分汉族官僚的不满。1908年，光绪帝和慈禧太后相继死去，年仅3岁的溥仪即位，改年号为宣统，由其父载沣摄政。载沣掌权后，首先将北洋军阀头子袁世凯开除回籍，以削减汉族大官僚的权力。1911年5月，清政府公布新内阁成员名单，奕劻为总理大臣，在13名内阁成员中满族9名，其中7名是皇族，汉族只有4名，因此被称为“皇族内阁”。
立宪派对此大失所望。这时，革命风暴即将来临，立宪派多数对清政府产生了离心倾向，少数开始同情或参加革命。统治阶级内部的分化，说明统治阶级已不能照旧统治下去了。革命形势日趋成熟。
面临重重危机的清政府，为了换取帝国主义的支持，在“皇族内阁”成立不久即宣布实行“铁路干线国有”政策，强行接收广东、四川、湖北、湖南四省商办铁路公司，将人民多年争得的路权重新拍卖给帝国主义。这一倒行逆施，引起了各阶层人民的强烈反对，掀起了声势浩大的保路运动，其中尤以四川最为激烈。四川同盟会和哥老会组成保路同志军，进围成都，众达20万。全省各地也纷纷揭竿而起，形成大规模的群众起义。同盟会员吴玉章、王天杰还在荣县宣布独立，建立革命政权。为了扑灭四川的革命火焰，清政府派督办粤汉、川汉铁路大臣端方率领部分湖北新军入川镇压。湖北革命党人乘机在武昌首义，点燃了武装推翻清王朝的革命烈火。
武汉位于长江中游，是当时仅次于上海的全国第二大城市，也是革命和反革命斗争最激烈的地区之一。革命团体文学社、共进会在湖北新军中开展了卓有成效的宣传和组织工作，积聚了较雄厚的革命力量，积极准备起义。1911年9月上旬，湖广总督瑞虒奉清政府之命调部分新军入川镇压保路运动，武汉地区的反革命力量减弱。1911年9月14日，在同盟会中部总会推动下，文学社和共进会决定消除门户之见，联合反清，建立了统一的起义领导机关。军事方面，由蒋翊武任总指挥，孙武为参谋长。政治方面，由刘公任总理。9月24日，两个革命团体召开第二次联席会议，决议在10月6日（农历八月十五日）发动起义，蒋翊武为临时总司令。对各标营的任务也作了安排，并派人约湖南革命党人焦达峰响应。
革命党人的活动引起了湖北统治当局的注意。瑞虒在10月3日召开文武官员参加的防务会议，决定严防督署，密巡长江，密巡汉江，实行全城戒严。随后派兵搜查革命机关，收缴士兵子弹，使枪弹分离。鉴于清军已有准备，加上同盟会重要领导人黄兴、宋教仁、谭人凤等人迟迟未到武汉，革命党人决定将起义延期。
10月9日，孙武等在汉口俄租界宝善里14号机关配制炸弹，不慎引起爆炸。孙武受伤进了医院，其余人员仓促转移。俄国巡捕闻声赶至现场，搜去革命党人名册、起义文告、旗帜、印信等物，并转交总督署，瑞虒立即下令关闭四城，搜捕革命党人。在此风云突变之际，蒋翊武、刘复基、彭楚藩、杨宏胜等人在午后召开紧急会议，决定立即发动起义。蒋翊武以临时总司令的名义起草命令，派人送往各标、营革命党人手中，约定当晚12时，以南湖炮队的炮声为号，城内城外同时起义。但是，瑞虒已于事先听到风声，派军警查抄了武昌的各个革命机关，逮捕了刘复基、彭楚藩、杨宏胜等人，蒋翊武逃离武汉。瑞虒下令杀害刘、彭、杨3人，按查获的名册搜捕革命党人。由于武昌戒严，内外交通断绝，起义的命令未及时送到南湖炮队，10月9日晚起义的计划落空。在群龙无首的紧急关头，新军中的革命党人自行联络，约定10月10日晚以枪声为号，按原计划发难。
10月10日晚，新军工程第八营的革命党人打响了起义的第一枪，他们打死了反对起义的军官，夺取中和门附近的楚望台军械库。库内储有步枪数万支，炮数十门，子弹数十万发。起义军首先占领该库，对武昌起义的胜利起了重要作用。工程第八营占领楚望台后，陆续集合了200余人，推举左队队官吴兆麟为临时总指挥。
与此同时，驻城外的第二十一混成协辎重队的革命党人也举火为号，发动起义，炮兵营与工程队立即响应，并齐集楚望台。二十九标、三十标的蔡济民、吴醒汉也率领部分士兵冲出营门，赶往楚望台；测绘学堂的近百名学兵也迅速向楚望台集中，其他各标营的革命党人也先后率众起义。这时，武昌城内除防守督署等机关的旧军仍企图顽抗外，已有近3000人参加起义，吴兆麟、熊秉坤、蔡济民等认为不能单纯防守楚望台，而应立即趁夜向总督署及紧靠督署的第八镇司令部发起进攻。
晚上10点30分，起义军开始分三路进攻。第一路经紫阳桥、王府口街进攻督署后院；
第二路从水陆街进攻第八镇司令部及督署翼侧；第三路从津水闸经保安门正街进攻督署前门。同时，令已入城之炮八标在中和门及蛇山占领发射阵地，向督署轰炸。进攻开始后，因事先未将敌人的部署侦察清楚，加上兵力有限，南湖炮队尚未完全进入阵地，不能给步兵以有力支援，以致初次进攻受挫。第一路进至紫阳桥附近时，遭敌军猛烈射击，伤亡较大；第三路一部进至津水闸，遭敌顽抗，前进受阻，另一部虽进抵保安门附近，也被敌击退。正在此时，又有一部分起义士兵前来参战，炮队也已进入蛇山阵地，开始射击，于是士气更加高涨。
晚12点后，起义军发动第二次进攻，战斗异常激烈。起义军突破敌人防线，进至督署附近，在督署和镇司令部后门以及前门钟楼等处放火，蛇山和中和门的炮队朝火起处猛烈发炮轰击。三路起义军在炮兵火力支援下，一举冲入督署，将大堂点燃。企图依靠围墙进行顽抗的守军，见大势已去，一部投降，大部溃散。督署及镇司令部遂被起义军占领。瑞虒和第八镇统制张彪逃走。清军失去指挥，一片混乱。
10月11日黎明，武昌城内各官署、城门均为起义军所控制。当天上午，一些处于观望状态的清军士兵也陆续向楚望台集中，听从革命党人指挥。鲜艳的十八星旗插上武昌城头，宣告了武昌起义的成功。
10月11日夜，汉阳的革命党人闻风而动，光复汉阳。10月12日，汉口也光复了。至此，武汉三镇均处在起义军控制之下。革命党人发表宣言，改国号为中华民国，号召各省起义响应，成立中华民国军政府湖北都督府，推举旧军官黎元洪为都督。两个月内，湖南等13省宣布独立，形成全国范围内的革命高潮。1912年1月1日，中华民国临时政府成立，1912年2月12日，清帝退位，清王朝终于被推翻，中国开始进入一个新的历史阶段。