當晚的起義計畫遂告流產。清吏連夜審訊，審官鐵忠想開脫彭楚藩，說：「你是憲兵，是捉革命黨的，怎麼也被錯捉來了？ 」彭答：「我就是革命黨！」鐵忠再說：「你不是奉命去抓匪徒的嗎？」彭憤答：「我是黃帝子孫，怎麼會接受滿虜的命令！」 他要來紙筆，振筆疾書：「余既從事革命，個人生死，早置度外，請速余死。」彭即被殺，年僅25歲。復提劉復基。劉罵不絕口，就義時連呼「同胞速起」！「還我河山」！死時年28歲。楊宏勝受審時說：「老子革命黨，殺便殺，胡問為？黨羽除汝滿奴外悉是。」鐵忠大怒，命人鞭打，楊挺身直受。推出施刑時厲聲罵道： 「賊虜！殺！快殺！恐奴才不久亦隨老子來也！」死時年26歲。
10月10日晨，張廷輔被捕，劉公寓、同興學社等革命機關相繼被抄，清軍開始按查獲的名冊捕人，被捕人數已達32人。瑞澄通告全城：「此次匪巢破獲，可以安堵一方。須知破案甚早，悖逆早已消亡。」又向清廷發電：「瑞澄不動聲色，一意以鎮定處之」，「俾得弭患於初萌，定亂於俄頃。」
10月10日晚，情況已萬分危急，各標營黨人集議，決定立即動手。7時許，城外火起。混成協第二十一營輜重隊、工程隊和炮隊起義，向城內進發。城內工程第八營排長陶啟勝發現士兵金兆龍臂纏白中，吼道：「你要造反？」金答：「老子就造反，你將怎樣！」陶與金扭打。金大喊：「同志們快動手，還等什麼？ 」士兵程定國用槍托擊陶頭部，陶逃，程舉槍射擊，熊炳坤亦對陶打槍，這時全營轟動，代理管帶阮榮發等堵住樓梯門，一面放槍，一面大呼：「此等事做不得，要滅九族的！」被士兵呂中秋、徐少斌擊斃。熊秉坤鳴笛集合，扑向楚望臺軍械庫。
楚望臺監守官李克果分發子彈準備抵抗，士兵們得子彈後，立即響應起義。李克果大驚，越牆逃走。熊秉坤即宣布起義部隊為湖北革命軍，佈置進攻總督署，並舉吳兆麟為革命軍臨時總指揮。此時各標營見火光聞槍聲，紛紛起而響應。二十九標排長蔡濟民率兵首先衝出營門，喊：「打旗人！」測繪學堂學生李翊東挺身高呼：「同學們，不要怕，今晚是革命黨舉事，我就是革命黨。願意革命的跟我到楚望臺去領取槍彈！」
四十一標和三十一標留守共300多人。黎元洪令嚴防士兵起事。一個外營的士兵來通知起義，黎元洪立殺之。士兵鄒玉溪欲出門響應，被黎元洪手刃。這時蛇山炮響，黎元洪大懼潛逃，四十一標方參加起義。
清軍駐武昌城內外的兵力約20個營，共9000多人，相繼起義的達三四千人。革命軍向督署連續發起三次進攻。第三次進攻時，革命軍放火燒房，為炮兵照明，起義的炮隊八標以13門大炮猛轟。起義軍又奪取了機槍陣地，倒轉槍把猛射，佔領八鎮司令部。瑞微在圍牆上打洞鑽出督暑，奔江邊楚豫兵艦逃命。熊秉坤卒敢死隊沖東轅門，士兵相繼冒彈雨抱煤油罐縱火。經一夜血戰，到東方黎明時佔領督暑，武昌全城克復。滿城都是臂纏白巾的革命軍，一面醒目的鐵血十八星大旗，在黃鶴樓頭迎風招展。
10月11日上午，槍聲停息，革命黨人聚集商建軍政機構，欲推一德高望重、為全國所知的人為領袖。他們找議長湯化龍，湯說：「革命事業，鄙人素表贊成，」但「此時正是軍事時代，兄弟非軍人，不知用兵」。於是改推黎元洪。黎元洪已換上便衣，躲藏在部下劉文吉家裡。找到他時，他嚇得渾身打顫。被脅持送到咨議局，與會諸人鼓掌歡呼。這時，當告知要他出任都督時，黎面色慘白，大喊：「我不能勝任，休要害我！」胡瑞霖、吳兆麟、張振武、蔡濟民等軟硬兼施，黎仍堅拒不肯，滿座嘩然。他們要黎元洪在一份安民告示上簽字。黎瑟縮不簽，李翊東大怒，舉槍對黎說： 「再不答應，我就槍斃你！」後來乾脆拿起筆簽了一個「黎」字，說：「我代簽了，看你還能否認不成！」於是《中華民國軍政府鄂軍都督黎佈告》，貼遍全城。
當天下午還推舉了各種職事人員。湯化龍被任命為總參議。其他如參謀部、民政部、交通部、外交部、庶務部、書記部、軍需部等，也都紛紛成立。革命黨人蔡濟民、吳兆麟、胡鍈等15人組織謀略處，於11日晚開始辦公，作出決定：(1)湖北革命領導機關定名為中華民國軍政府湖北都督府，設於諮議局；(2)稱中國為中華民國；(3)以本年為黃帝紀元四千六百零九年；(4)都督暫用黎元洪名義，佈告地方及通電全國；(5)革命軍旗為十八星旗。
10月12日晨6時，武昌電訊已恢復。革命黨人用黎元洪的名義促居正、黃興、宋教仁等人來鄂；並請轉電孫中山從速回國主持大計；同時通電全國，告以武昌光復，請即同時響應。
黎元洪像木偶一樣，不言不語，不吃不喝，盤膝閉目。後來聽說武漢三鎮全部克復，民眾踴躍參軍，方始轉變態度，12日，蔣翊武、蔡濟民勸黎剪去髮辮，黎同意。蔡撫黎剪後之頭笑說： 「都督好像個羅漢。」黎說：「有點像彌勒佛。」13日下午，黎元洪當眾宣布：「我前天未決心，昨天也未決心，今日上午還未決心，這時是已決心了，無論如何我總算是軍政府的人了，成敗利鈍，死生以之。」次日，居正自上海來，接受了湯
化龍等人起草、經黎元洪同意的《軍政府暫行條例》，取消了革命黨人組成的謀略處。在4個部隊和7個局長中只有孫武一人是革命黨人，革命黨人不滿，於是再作修改，廢除政事部，文書局改稱軍政府秘書處，其他6局一律改部。黨人力量得到增強。
15日，軍政府以「鄂軍都督黎」的名義發出佈告，宣布「將湖北境內一切惡稅先行豁免」，規定：除鹽、酒、糖、土膏(即鴉片)各稅捐外，所有統捐局卡，一律永遠裁撤；除海關外，所有稅關，一律永遠裁撤：本年下忙丁漕，概行？免；歷年積欠丁漕，概行？免；各屬雜捐，除力地方所用者外，概行豁免。
16日，軍政府頒布了《中華民國鄂州約法》，規定：人民一律平等；允許人民有各種民主、自由權利，如言論、出版、通訊、信教、居住、營業、保有財產、保有身體、保有家宅等；規定人民有選舉和被選舉的權利。對於政府組織、都督與議會的許可權和職責也作了明確的規定。這是中國第一部具有憲法性質的法令。
軍政府議定，薪金分為三類：軍官及各部一切辦事人員，一律對於軍政府盡義務；一般職員，無論大小員司，一律月支夫馬津貼費20元，兵士每月支10元，下級官佐每月12元。黎元洪見民氣振奮，感慨而言：「兵丁各自為戰，雖無指揮，亦各奮力突進，漢族同胞，徒手助戰，持刀協擊，」「甚有婦孺送麵包茶水入陣。此情此景，言之令人奮武」。
16日，胡瑞霖勸黎元洪登壇誓師，得到同意。17日，黎元洪全身軍服，腰懸軍刀，威武地被擁護登臺。台上放著黃帝牌位，劍、旗分立兩側。由譚人鳳授旗、授劍，居正宣講革命意義，黎元洪宣誓，由舒禮鑒起草的《祭告天地文》說：「元洪投袂而起，以承天麻，以數十年群力呼號，流血所不得者，得於一旦，此豈人力能及哉！」黎元洪頓成「開國元勛」。閱馬場上，「歡聲雷動」。」兵士對都督之愛戴，亦大有加」。
