当晚的起义计划遂告流产。清吏连夜审讯，审官铁忠想开脱彭楚藩，说：“你是宪兵，是捉革命党的，怎么也被错捉来了？ ”彭答：“我就是革命党！”铁忠再说：“你不是奉命去抓匪徒的吗？”彭愤答：“我是黄帝子孙，怎么会接受满虏的命令！” 他要来纸笔，振笔疾书：“余既从事革命，个人生死，早置度外，请速余死。”彭即被杀，年仅25岁。复提刘复基。刘骂不绝口，就义时连呼“同胞速起”！“还我河山”！死时年28岁。杨宏胜受审时说：“老子革命党，杀便杀，胡问为？党羽除汝满奴外悉是。”铁忠大怒，命人鞭打，杨挺身直受。推出施刑时厉声骂道： “贼虏！杀！快杀！恐奴才不久亦随老子来也！”死时年26岁。
10月10日晨，张廷辅被捕，刘公寓、同兴学社等革命机关相继被抄，清军开始按查获的名册捕人，被捕人数已达32人。瑞澄通告全城：“此次匪巢破获，可以安堵一方。须知破案甚早，悖逆早已消亡。”又向清廷发电：“瑞澄不动声色，一意以镇定处之”，“俾得弭患于初萌，定乱于俄顷。”
10月10日晚，情况已万分危急，各标营党人集议，决定立即动手。7时许，城外火起。混成协第二十一营辎重队、工程队和炮队起义，向城内进发。城内工程第八营排长陶启胜发现士兵金兆龙臂缠白中，吼道：“你要造反？”金答：“老子就造反，你将怎样！”陶与金扭打。金大喊：“同志们快动手，还等什么？ ”士兵程定国用枪托击陶头部，陶逃，程举枪射击，熊炳坤亦对陶打枪，这时全营轰动，代理管带阮荣发等堵住楼梯门，一面放枪，一面大呼：“此等事做不得，要灭九族的！”被士兵吕中秋、徐少斌击毙。熊秉坤鸣笛集合，扑向楚望台军械库。
楚望台监守官李克果分发子弹准备抵抗，士兵们得子弹后，立即响应起义。李克果大惊，越墙逃走。熊秉坤即宣布起义部队为湖北革命军，布置进攻总督署，并举吴兆麟为革命军临时总指挥。此时各标营见火光闻枪声，纷纷起而响应。二十九标排长蔡济民率兵首先冲出营门，喊：“打旗人！”测绘学堂学生李翊东挺身高呼：“同学们，不要怕，今晚是革命党举事，我就是革命党。愿意革命的跟我到楚望台去领取枪弹！”
四十一标和三十一标留守共300多人。黎元洪令严防士兵起事。一个外营的士兵来通知起义，黎元洪立杀之。士兵邹玉溪欲出门响应，被黎元洪手刃。这时蛇山炮响，黎元洪大惧潜逃，四十一标方参加起义。
清军驻武昌城内外的兵力约20个营，共9000多人，相继起义的达三四千人。革命军向督署连续发起三次进攻。第三次进攻时，革命军放火烧房，为炮兵照明，起义的炮队八标以13门大炮猛轰。起义军又夺取了机枪阵地，倒转枪把猛射，占领八镇司令部。瑞微在围墙上打洞钻出督暑，奔江边楚豫兵舰逃命。熊秉坤卒敢死队冲东辕门，士兵相继冒弹雨抱煤油罐纵火。经一夜血战，到东方黎明时占领督暑，武昌全城克复。满城都是臂缠白巾的革命军，一面醒目的铁血十八星大旗，在黄鹤楼头迎风招展。
10月11日上午，枪声停息，革命党人聚集商建军政机构，欲推一德高望重、为全国所知的人为领袖。他们找议长汤化龙，汤说：“革命事业，鄙人素表赞成，”但“此时正是军事时代，兄弟非军人，不知用兵”。于是改推黎元洪。黎元洪已换上便衣，躲藏在部下刘文吉家里。找到他时，他吓得浑身打颤。被胁持送到咨议局，与会诸人鼓掌欢呼。这时，当告知要他出任都督时，黎面色惨白，大喊：“我不能胜任，休要害我！”胡瑞霖、吴兆麟、张振武、蔡济民等软硬兼施，黎仍坚拒不肯，满座哗然。他们要黎元洪在一份安民告示上签字。黎瑟缩不签，李翊东大怒，举枪对黎说： “再不答应，我就枪毙你！”后来干脆拿起笔签了一个“黎”字，说：“我代签了，看你还能否认不成！”于是《中华民国军政府鄂军都督黎布告》，贴遍全城。
当天下午还推举了各种职事人员。汤化龙被任命为总参议。其他如参谋部、民政部、交通部、外交部、庶务部、书记部、军需部等，也都纷纷成立。革命党人蔡济民、吴兆麟、胡锳等15人组织谋略处，于11日晚开始办公，作出决定：(1)湖北革命领导机关定名为中华民国军政府湖北都督府，设于谘议局；(2)称中国为中华民国；(3)以本年为黄帝纪元四千六百零九年；(4)都督暂用黎元洪名义，布告地方及通电全国；(5)革命军旗为十八星旗。
10月12日晨6时，武昌电讯已恢复。革命党人用黎元洪的名义促居正、黄兴、宋教仁等人来鄂；并请转电孙中山从速回国主持大计；同时通电全国，告以武昌光复，请即同时响应。
黎元洪像木偶一样，不言不语，不吃不喝，盘膝闭目。后来听说武汉三镇全部克复，民众踊跃参军，方始转变态度，12日，蒋翊武、蔡济民劝黎剪去发辫，黎同意。蔡抚黎剪后之头笑说： “都督好像个罗汉。”黎说：“有点像弥勒佛。”13日下午，黎元洪当众宣布：“我前天未决心，昨天也未决心，今日上午还未决心，这时是已决心了，无论如何我总算是军政府的人了，成败利钝，死生以之。”次日，居正自上海来，接受了汤
化龙等人起草、经黎元洪同意的《军政府暂行条例》，取消了革命党人组成的谋略处。在4个部队和7个局长中只有孙武一人是革命党人，革命党人不满，于是再作修改，废除政事部，文书局改称军政府秘书处，其他6局一律改部。党人力量得到增强。
15日，军政府以“鄂军都督黎”的名义发出布告，宣布“将湖北境内一切恶税先行豁免”，规定：除盐、酒、糖、土膏(即鸦片)各税捐外，所有统捐局卡，一律永远裁撤；除海关外，所有税关，一律永远裁撤：本年下忙丁漕，概行？免；历年积欠丁漕，概行？免；各属杂捐，除力地方所用者外，概行豁免。
16日，军政府颁布了《中华民国鄂州约法》，规定：人民一律平等；允许人民有各种民主、自由权利，如言论、出版、通讯、信教、居住、营业、保有财产、保有身体、保有家宅等；规定人民有选举和被选举的权利。对于政府组织、都督与议会的权限和职责也作了明确的规定。这是中国第一部具有宪法性质的法令。
军政府议定，薪金分为三类：军官及各部一切办事人员，一律对于军政府尽义务；一般职员，无论大小员司，一律月支夫马津贴费20元，兵士每月支10元，下级官佐每月12元。黎元洪见民气振奋，感慨而言：“兵丁各自为战，虽无指挥，亦各奋力突进，汉族同胞，徒手助战，持刀协击，”“甚有妇孺送面包茶水入阵。此情此景，言之令人奋武”。
16日，胡瑞霖劝黎元洪登坛誓师，得到同意。17日，黎元洪全身军服，腰悬军刀，威武地被拥护登台。台上放着黄帝牌位，剑、旗分立两侧。由谭人凤授旗、授剑，居正宣讲革命意义，黎元洪宣誓，由舒礼鉴起草的《祭告天地文》说：“元洪投袂而起，以承天麻，以数十年群力呼号，流血所不得者，得于一旦，此岂人力能及哉！”黎元洪顿成“开国元勋”。阅马场上，“欢声雷动”。”兵士对都督之爱戴，亦大有加”。
