九月初七日黄兴偕李书城、耿觐文、曾可楼由上海赶到汉口，黄等就被留在汉口指挥革命军。这时汉口已危在旦夕，武昌也人心浮动。黎元洪派人把黄接过江来，选了一匹大马，叫一个高大的人举着一面旗子，上书“黄兴到”三大字，骑马在武昌城外绕了一个大圈子。黄过江和黎匆匆谈了一下，就折返汉口指挥战争，布置最后防线于演春茶园。九月八日、九日、十日、十一日黄一面抹汗，一面电调各军上火线，可是士气不振，若干人不听指挥。黄亲手杀了几个，局面才稍定，但汉口卒于十二日陷落。黄兴渡汉水到汉阳，豪气犹在，余勇可贾，黎元洪再催请他渡江议事，黄乃于十二日下午抵武昌。
这时武昌因汉口失陷而岌岌可危，都督府内有人建议请黄兴出任作战总司令，黎欣然同意，乃于九月十三日在阅马厂高筑将台，举行隆重的“拜帅大典”。将台上置有高桌，蒙以黄布，周围是雄赳赳气昂昂的武装士兵，台口为营长以上的各级军官，由都督府到将台过道两旁，站满了文武官吏，黎、黄两人并辔而出，文官行脱帽礼，武官行撇刀礼，兵士行举枪礼，气象庄严隆重，有过于黎元洪就都督的誓师礼。
黎都督、黄总司令就位后，典礼开始，由李玉山宣读黎都督的任命状。这篇任命状是一篇文辞典丽的文章：“黄君兴险阻备尝，功在民国，各军当悉听调遣。”宣读任命状后即由黎元洪都督授令、授旗、训话，然后是黄兴总司令答礼、答词。黎都督退席后，黄总司令则骑着那匹已经骑过的高头大马，绕场巡行，全场官兵举枪致敬，礼成。
当黄兴就任革命军战时总司令，即以防御汉阳为主要任务，设总司令部于昭忠祠，任命李书城为参谋长。李原在北京军咨府任职，由载涛派其与黄郛南下。李、黄离北京后即决心革命。黄抵上海，留助陈其美；李则兼程来汉口，抵汉时汉口已失陷，遂投奔黄兴。副参谋长一为杨玺章，一为吴兆麟，参谋有姚金墉、蔡济民、徐达明、甘绩熙、高建翕、宾士礼、金龙章、吴醒汉、夏维善等。参谋处的任务是沿襄河入江处起，迤黑山以下挖壕筑堡，雇用民夫数千人，昼夜工作。当时两军苦战，隔江、汉二水对峙。革命军因汉口之战损失过重，新成立部队官兵大半未受训练，因此不堪大战。
九月十八日据报汉口方面有清军1万余人，在汉口刘家庙至桥口附近，并于上关、花楼、黑山对岸及沿江布防。革命军则在对汉阳南岸嘴至三眼桥一带防御。二十三日决定渡河攻击汉口，当时判断汉口清军兵力约一镇以上。革命军攻击计划：步四协张廷辅向汉口市街攻击；步六协杨载雄向汉口龙王庙登陆，攻击清军左翼，武昌凤凰山炮队支援进攻部队向汉口射击，海军炮舰亦加掩护，设信号于黄鹤楼、凤凰山、大别山等处。九月二十六日渡襄河左岸攻击，进攻时鄂军在左，湘军在右，鄂军因系临时召募，所以毫无作战经验，湘军甚勇，但独力难支，遂告败北。革命军伤亡惨重，计军官57人，士兵792人，失山炮18尊，步枪600余枝，子弹2300余箱。
革命军进攻汉口失败，于是全力固守汉阳，清军因洞悉革命军方面作战实力不强，军令亦不统一，于是大举进攻汉阳。自辛亥年九月二十八日至十月初六，剧战八昼夜，革命军死军官137人，伤85人；士兵死2693人，伤400余人。至十月初七日上午10时，汉阳遂告沦陷。
清军之攻汉阳，出动了强大兵力，配以新式德国管退炮若干尊，实力在革命军以上。革命军守汉阳者，为鄂湘两省军队，人数虽在5万人以上，但缺乏作战经验，彼此又不协调，且全用于第一线，所以极感疲乏。汉阳之败并不能怪黄兴一人，可是由于黄兴曾指挥过镇南关之役、河口之役、黄花岗之役，都是攻败垂成，遂使人对黄有虽勇而不能战的印象。黄自己亦有年年败北的感慨，其时谭人凤诗有云：“怀锤不遇粤途穷，露布飞传蜀道通，吴楚英豪戈指日，江湖侠气剑如虹；能争汉上为先着，此复神州第一功，愧我年年频败北，马前趋拜敢称雄。”
汉阳失陷后，黄兴退到武昌，军政府即召开军事会议，黎元洪主席，请黄报告汉阳战役经过。黄即席演说，对汉阳失败的原因未能详述，但对于未来军事演变，则认为汉口和汉阳已失，武昌难以固守，主张率领鄂湘两军前往攻取南京。黄的主张被军政府多数人反对，参谋范腾霄愤然说：“汉阳既已不守，武昌已拟放弃，试问还有什么能力可以攻取南京，如果湘鄂两军尚可用，则武昌当然可守。”他的话一讲完被大家热烈鼓掌，死守武昌的提议便成为这次会议的决定。其时黎元洪因都督府被炮轰，所以迁往城外卓刀泉办公。黄兴在会议结束后，即偕李书诚、汤化龙、胡瑞霖、陈登山和黄中垲等乘轮去上海。武昌方面决定重行布置兵力死守，以邓玉麟、何锡蕃两协警备武昌，罗洪升一协守大君山，刘佐龙一协守小君山，王锡龄一营守京口，陈龙章的敢死队守磁基山，标统张廷辅、谢流芳、张杰夫等残部守白沙洲，标统刘廷璧、管带李忠义等守青山。
十月初八日，即清军攻克汉阳的第二天，清政府以二等男爵授给冯国璋。
汉阳之败，对革命军是一个大打击。可是几天后苏、浙、沪联军攻克南京，使革命活动又见蓬勃。独立各省在上海的代表，认为武昌已在危险中，革命事业必须扩大，乃于十四日集议，决定南京为临时政府所在地，选举黄兴为大元帅，黎元洪为副元帅，即以大元帅组织中华民国政府。这一时期的武昌已经转危为安，倒不是因为武昌有力量固守，而是袁世凯并不想彻底打垮革命势力，幕后原因是独立各省的代表曾于十月十三日开会，通过雷奋、马君武、王正廷所起草的临时政府组织大纲二十一条，且有一个秘密决议，就是倘若袁世凯反正，则公举袁世凯为中华民国临时大总统。袁亦听到这个消息，所以在北洋军可以一鼓作气渡江攻下武昌时，突然煞车，并派代表至武昌谈和。
武昌和上海两大革命中心在一开始便发生意见，黄兴对于上海方面同志推他为大元帅非常谦让，一再恳辞。随后的折衷意见是于十月二十七日重新改选，推黎元洪为大元帅，黄兴为副元帅，黎因驻节武昌，不能前往南京，故由黄兴以副元帅身份代行大元帅职务。
黎、黄之间不一定有芥蒂，但武昌方面的革命集团与上海方面的革命集团，彼此是有意见的，这是早期革命时的不幸事件，也是袁世凯得以利用的大好机会。
南京光复撼清室
革命军九月十二日失去了汉口，十四日就得了比汉口更重要的上海，接着十五日浙江全省独立，十六日光复苏州；十月七日汉阳撤退后，十二日就攻克了南京，使革命势力并未减弱，反而愈胜。南京攻击战是一场硬仗，战斗经过有一段曲折而复杂的过程。
当时在南京的，有两江总督张人骏，江宁将军铁良，他们所恃的武力，是江南提督兼钦差江防大臣张勋的部队。张勋在南京城内一枝园设立大本营，用极惨酷的手段镇压南京人民，一枝园、浮桥一带军警林立，杀气腾腾，行人却步，凡是剪了辫子的人，被捕、被杀，不计其数，没有头发的人头高悬在大行宫、花牌楼一带，整个南京变成了恐怖世界。
南京城外雨花台、马神庙、秣陵关一带是徐绍祯的防区。徐是新军第九镇统制兼江北提督，他和张勋曾为了革命问题几乎动了武。徐主张参加革命，张反对，于是徐便单独到上海投奔革命阵营，并在上海筹组苏、浙、沪联军，进攻南京，推举徐为联军总司令，于右任为秘书长，孙毓筠为副秘书长。下辖：宁军司令柏文蔚、镇军司令林述庆、苏军司令刘之洁、沪军司令洪承典、浙军司令朱瑞、淞军司令黎天才、沪军先锋队司令丁怀瑾等。联军总部设于镇江洋务局。
十月初三日联军与张勋部队战于孝陵卫，张军败北。初五日淞军黎天才部攻占乌龙、幕府两山，浙军朱瑞部同时占据马群附近要隘，攻占孝陵卫。
此次战役，同盟会员丁怀瑾（号石生）有《辛亥光复沪宁记》，记载其事，兹录于后：
辛亥秋，余自日本偕同志返沪滨，组织敢死队，宁波留日同学胡以鲁（号仰曾）赠词以壮行色，兹录其词及序：石生先生组决死队回国，参与光复重任，奉此词以壮行，并同队诸志士，仰曾敬赠，词曰：“秋风肃肃送君新桥（日本东京车站之名），行矣哉故国非遥，恢复中华在崇朝，行矣哉气爽秋高，落红不是无情物，为国捐躯此七尺。”
光复春申，参与之革命志士不满百人，推陈英士同志都督沪军，劝黎天才统领率部来归，余并促黎一军进占金陵城外之鸟龙、幕府两山以据形势；守金陵者为辫子将军张勋，遣城内防军拂晓出击，见两山已悬白帜，乃屯于山下不敢进。浙江朱价人进攻紫金山，以无炮队久不下，余乃函英士商拨炮营助攻。复约黎天才，以旧有江上炮台可转射南京城内，惜我军无习炮术者，余于山下遇一旅行之英人，知系海军，邀返烟台，渠握其机钮，即灵转自如，发炮三枚，攻城内北极阁等要地。适两江总督张人骏、提督张勋并各司道会议阁上，闻炮声骇散。不二日而英国领事偕道员郭某，奉命悬白旗来商罢战，南京乃告光复。
余有南京光复诗纪其事，中有两句云：“两张（即两江总督张人骏，提督张勋）心胆应惊碎，一炮声威欲避难。”
南京之光复也，张勋率众退出临淮，转赴徐州。黎天才军先入，浙军暨沪军先锋队各分道入，是时先后入驻金陵一带之联军，有徐固卿部，皖军柏烈武部分驻江南北，而金陵都督一席争执殊烈。余既电促先总理早日回国，且劝黎天才速就都统，率师援鄂，一场风波得以镇定。辛亥光复南京之初，尧化门为军事重地，苏州程雪楼都督亦来驻，一日余带炮兵抵此，参加紫金山之战，有壮马，程感兴趣，意欲试骑而足不灵。时有两僧方来自金陵城内，欲谒都督报告军情，及见程仅云：城内人心惊惶，张大帅爱姬小毛子已北去云云。余纪事诗中有两句云：跛足将军欲乘马，秃头和尚大吹牛。时浙军协统朱价人（瑞）见之，为之捧腹，云可寄与英士作沪军都督府一段谐谈也。
这是丁怀瑾（石生）亲身经历光复南京的笔记，不仅有史料价值，而且轻松有趣。
光复南京的联军总司令徐绍祯，字固卿，广东番禺县人，曾任福建武备学堂总办，江西常备军统领。两江总督李兴锐调他为两江兵备处总办，兼新军第九镇统制。第九镇是中国首先实行征兵制的新军。当江北提督、会办江防大臣王士珍丁忧辞职时，清廷派徐兼摄江北提督。他这时已同情革命，引进同盟会会员柏文蔚、冷？、赵声等为管带。南京临时政府成立后，徐自动撤销联军司令部，所部交陆军总长黄兴直接管辖。孙中山先生曾任命徐为南京卫戍总督，后来孙中山先生卸除临时大总统，南京卫戍部并入南京留守府。孙中山先生为了酬谢徐革命功绩，乃赠以八厘公债100万元，徐提出1.4万元为《民立报》的补助费，1万元为女子北伐队的结束费，其余一概奉还政府，颇有清誉。
徐的顶头上司是江防大臣张勋，两人为了革命几乎决斗。联军攻克南京时，捕获张勋爱妾小毛子，徐把她安置在门帘桥陈善家中，上海都督陈其美主张把小毛子解到上海，陈列张园任人参观，收门票四角。因小毛子有艳名，据说门票可收入10万元，以助军饷。徐不同意，并派陶逊护送小毛子到徐州，交还张勋。张大喜过望，派辫子兵排队到车站迎接陶逊，并将所扣100辆火车交还铁路局以作报酬。
清军攻下汉阳后，清廷加封袁世凯为一等侯爵。袁世凯这时已受任组阁了，他对于侯爵之类的殊荣已不感兴趣，他的辞爵奏折可以看出当时清廷的内外处境：