岳武庙会议后，刘先质、刘华堂、刘复泰等立即召集会众，组织宁夏起义军，准备分兵四路，在11月15日21时向宁夏府城发起进攻。谁知起义的消息不慎走漏，驻防府城的清军早已有了戒备。他们荷枪实弹，在全城巡逻，严加防范。起义民军并不知情，仍然按原计划宣布起义，向府城发起进攻。早有准备的清军利用装备精良的枪炮，与民军展开激战。由于原定的第四路主力巡防续补五营动作迟缓，未能及时策应，再加之刘先质、刘华堂指挥不周，以及起义民军武器低劣等原因，未能攻克府城，只好撤退到城北八里桥一带休整，伺机再起。
第二天，在府城内的哥老会首领邹愚极又仓促率众在府城暴动，结果被清军残酷地镇压了下去，邹愚极的臂部受伤，会众溃散，清军全城戒严。一时谣言四起，人心惶惶，居民纷纷逃到乡间避难，市面一片混乱。当灵州光复的消息传到府城后，社会秩序更加混乱，大小文武官员个个惊恐不安。当时，城内虽有清军千余人驻防，但当局不敢轻易调用，害怕这些以汉人为主的绿营兵与哥老会有勾连，于是召开秘密紧急会议，商量对策。一方面请求新城满营副都统常连率领驻防旗兵2000多人，全副武装，于11月18日中午开进府城，在东西大街示威游行，炫耀武力，进行威慑；另一方面急忙招兵买马，另组新军团练。革命党人将计就计，组织兵民与哥老会成员假意应征，乘机混进新军团练，掌握武器，作为内应。
退守八里桥一带的宁夏起义民军，在得知灵州光复的消息后，士气一下子又高昂起来，军心复振。经过3天的休整补充后，宁夏革命同盟会支部召开会议，总结了首次起义失败的经验教训，重新部署了再次攻打宁夏府城的计划，并对民军进攻路线及兵力配合等都作了周密安排。11月19日晚，宁夏府城北门外号炮三响，攻城开始。会党首领刘华堂率同党30余人，打入府城后，多处燃放纸炮，沿街高喊“杀”声，制造声势。事先联络好的警兵与镇标士兵持枪加入，左旗步队号官黄连升率本部士兵鸣枪响应。街道上有四五百名群众，自动聚合，也参加起义民军。城内城外联成一气，里应外合，与清军激战于街巷。天快亮时，清军溃败，仓皇失措，四散出逃。清军中营游击将军、代理镇台贺明堂以及数百名顽抗的清军官兵被起义民军击毙。宁夏道台孙廷寿和知府庆隆，见大势已去，各自逃匿民间。宁夏县知县陈元骧与其堂弟陈铁生缒城逃至城北20公里的通义堡，隐藏于贡生王赞兴家，被立岗堡民军发现，用乱刀砍死。宁朔县（当时宁夏、宁朔两县衙门均设在府城内）知县高秉彝素与哥老会相近，见府城失陷，遂带领全县文武官员向民军投降。起义民军占领了府城各衙署及兵营，宁夏府城光复，宣告革命成功。此外，起义民军“南路策应队”还按时攻占了宁夏府城以南的大坝、叶盛、玉泉营等地。
宁夏府城光复后，刘华堂在府城中心钟鼓楼的最高处，悬挂了一面大白旗（悬挂白旗，在当时是标志革命），上书“支那革命大元帅孙”8个大字。同时，令城乡居民于房门上方，悬挂一面白色三角小旗，上书“顺南”两字，以表示拥护南方孙中山先生发动和领导的辛亥革命。为了庆祝胜利，府城军民隆重集会，并打开仓库赈济贫民，武装民军。一时“民心大悦，秩序井然”。
11月21日，宁夏革命同盟会支部召开扩大善后会议。11月23日，“支那宁夏革命军政府”在府城原道台衙门宣告成立。军政府下设大元帅和营务处、政务处、度支处、驿传处及城守司、总粮台等政府机构。由于革命党人自觉无主政经验，认为必须选个有社会威望的人来主政，于是，推举平日为官尚好、为人比较公道的原宁夏道台孙廷寿为军政府大元帅（孙始终未到任）。同时，宁夏军政府还颁布了《临时新政大纲》10条，布告安民。主要内容是：境内人民，都是袍泽，不分贵贱；对不合民意的政事，一律废除；释放监犯及豁免历年民欠粮赋；军政府对领境土地、人民尽保卫之责；军队不得扰害百姓，否则杀无赦；废除旧制绿营军，另建新军；对人民崇奉之教，均从所愿，不加干涉等。
宁夏革命军政府成立后，立即着手组建革命新军———宁夏革命民军。推举刘先质为民军督指挥，刘华堂为副督指挥。下设五标（相当于团）和河东、南路、北路、河东续备四路防军。军政府还照会陕西革命军政府大都督张凤翙、山西革命军政府大都督阎锡山，希望“嗣后守望相助，以利军事”，并敦促陕甘总督长庚等清朝官吏，尽快“输诚”（向革命军政府表示诚心）。为保卫新政权，军政府及时镇压了一批为满营清军刺探军情、泄露军政机密和盗用民军名义勒索百姓财物的不法之徒。11月28日，经军政府研究决定，将原宁夏城守营都司多伦岱、理事厅同知文升（均系满族），以为满营刺探军情罪，逮捕正法；宁夏县典史曾善全、汉延渠局长王文郁（均系哥老会友）以泄露军政机密罪，也于当夜逮捕正法。另外，还有市民张某、杨某二人盗用民军名义，手持城隍庙令箭，借搜查武器为名，诈取百姓财物，也经军政府查获，在玉皇阁街口正法，悬首示众。原宁夏知府庆隆，虽系满族，但平日事母至孝，为人较为诚实，这次在民军起义中尚无危害罪行，军政府决定免予追究，并保护其生命财产。宁夏城乡秩序很快恢复正常。
军政府成立后，关心农业生产。时值初冬，正是宁夏平原农田冬灌时期，军政府下令河西唐徕、汉延、惠农、大清四渠总绅张昉，会同四渠水利委员带领各渠水管人员，督促农民冬灌，为来年春耕播种的顺利进行，打下了良好的基础。
