自1906年至1911年4月，同盟会及其他革命团体发动过十余次武装起义，但均以失败告终。这促使革命党人认真总结经验教训。除未能广泛发动群众和缺乏统一领导以及武器装备较差等原因外，革命党人感到在战略思想上也存在一定问题。
1910年同盟会领导人宋教仁和谭人凤等曾在日本对此展开讨论，宋教仁提出三个战略目标，第一是首攻北京，然后号令全国；第二是沿长江各省同时并举，建立政府，然后北伐；第三是在边疆地区发难，占据要地，逐步扩展到全国。大家一致认为，第一战略目标甚为困难，不易实现；第三战略目标难以奏效；第二战略目标为最佳。根据这一战略思想，召开了11省同盟会分会会长会议，宋教仁建议组织“同盟会中部总部”，以便实施既定战略方针。
1911年4月广州起义失败后，谭人凤、宋教仁相继从香港到上海，并于7月31日在上海成立“同盟会中部总部”，会上由谭人凤起草了宣言，宋教仁起草章程，对以前多次起义失败的原因进行了总结，纠正了过去的一些错误认识，把革命中心转移到长江流域，无疑在战略思想上是一大进步。
同盟会中部总部成立以后。便在湖北，湖南、江西、安徽、四川等地设置了分机关，并以两湖为活动中心。湖北也是革命党人活跃的地区，1910年9月成立了以杨王鹏为首的振武学社，由新军中的革命分子组成，吸收240多人，后来被协统黎元洪所察觉，开除了杨王鹏的军籍，社务由蒋翊武接替。蒋翊武为掩护革命活动，把振武学社改名为文学社，吸收社员达3000多人，并出版了《大江报》公开进行革命宣传。
湖北的另一革命团体是共进会，共进会于1907年在日本成立，主要领导人张百祥、孙武、焦达峰等人都是同盟会会员。孙武、焦达峰回国后，1909年又在汉口设立共进会，鉴于以前的教训，这时革命团体对入社成员的审查和入社手续也更为严格了，较好地保持了组织的纯洁性。当时革命党人也深刻地认识到，革命不仅要依靠党人本身，而且需要策动新军，这在广州起义中已是行之有效的办法并取得了一定的经验。湖北新军约15000多人，经过革命党人的工作，这时已有5000多人参加了文学社或共进会，壮大了革命力量。文学社和共进会曾有过一些分歧意见和隔阂，经过革命党人的努力，在武昌起义之前，两个革命团体为了革命的总目标，终于在9月14日达成联合的协议，取消原来各自的组织和负责人名义，实现了统一。而后，他们派代表赴上海，请同盟会负责人黄兴、宋教仁、谭人凤来武昌组织起义，但他们三人有种种原因都未能成行。
当时驻武昌新军主要是张彪任统制所率第八镇和黎元洪任协统的第二十一混成协（旅），武昌起义前新军中绝大多数营队中都有革命党人活动，革命党基本控制了新军，没有打入的只有辎重第八营、宪兵第八营、教练队和一些杂牌军。根据这一形势，9月24日武昌革命军召开干部会，共推蒋翊武为起义总指挥，专管军事，孙武为军政部长，专管军事行政，刘公为总理，专管民政。第二天召集会议，通过军政府重要组织成员并讨论军事行动计划。到会100多人，共同议定，起义日期为10月6日（农历中秋节），同时根据武汉三镇的地理情况和敌人军力部署，制定了起义进攻方案：1.混成协工程、辎重两队首先发难，纵火为号，炮队响应，然后分两队，一队攻凤凰山炮台，一队占领青山迎击江面敌舰。2.以第八镇工程第八营为主攻占楚望台军械库，测绘学堂等率队响应。3.南湖第八镇炮队第八标从中和门进械攻督署。另外尚有攻占蛇山、龟山、武胜关及掩护、警戒等具体部署。
但事先起义计划有所泄露，城中出现了“中秋杀鞑子”的传言，引起官方严密警戒，给起义造成了困难。同时，湖南革命党人又来信说因准备不周难以及时响应，请求推迟起义日期。于是武昌革命党人将起义日期改为10月16日。不料10月9日发生意外，孙武在俄租界赶制炸弹时，不慎引起爆炸，巡捕闻声赶到，孙武带伤匆忙离开现场，但为起义所准备的武器、旗帜、文告和党人名册等都被俄方截获，俄领事本来就仇视革命党人，所以全部移交清地方政府，这样武汉三镇侦骑四出，大肆搜捕革命党人。事已至此，蒋翊武当机立断，毅然临时决定当夜12时起义，但9时前后清军警搜查革命党人活动据点，蒋翊武逃离，而彭楚藩、杨宏胜、刘复基等人被捕，10日凌晨三人惨遭杀害，数十名革命党人被捕，投入监狱。同时，湖广总督下令紧闭城门，按名册一一搜索，准备将革命党人一网打尽。
在这生死关头，如再有迟缓，便等于束手待毙。新军各标营中的革命党人决定，仍按临时决定立即起义并传信到各营，于是10月10日晚7时左右，武昌城内第八镇工程第八营和武昌城外的工程和辎重两队，首先放火为号，举起义旗，各标营革命党同时行动，清管带以上军官纷纷逃窜。起义军分别占领了楚望台军械库、凤凰山、蛇山等军事要地，然后集中兵力进攻督署。分三路进军：一路向王府口推进，一路向水陆街推进，一路向保安门推进。此战起义军炮步兵联合作战，为使炮兵在夜间击中目标，先由步兵在督署门前放起火来，接着炮兵对准火光处轰击，起义军步兵在炮兵的配合下，经反复激战当夜攻下督署。
得知武昌新军起义，湖广总督瑞澄开始企图靠督署守军负隅顽抗，但看到火光弹影，听到隆隆炮声，吓得魂不附体，扒开督署后墙，经文昌门，狼狈逃至停泊在江面上的“豫楚”号兵舰上。第八镇统制张彪抵挡一阵，见大势不好，也率辎重营残部渡江逃到刘家庙。第二十一混成协统领黎元洪曾对湖北保路运动表示同情，博得过新军士兵的一些好感，但他本质是反对革命的，所以当工程营发难后，派人到第二十一混成协联络时，他凶残地将起义军战士杀害，极力镇压革命。当起义军猛攻督署并向其协司令部开火时，黎元洪便逃到黄土坡该协参谋家中，换上便衣藏匿起来。
经过一夜激战，到11日早7时，仅用12小时起义军就先后攻占了督署、藩库、官钱局、电报局等机要部门，最后扩展到整个武昌城，起义军大获全胜，一夜之间武昌变成了另一个世界。在战斗中起义军个个奋不顾身，越战越勇，敌人则丢盔卸甲，闻风而逃。胜利后满城义军战士人人袖缠白巾，威风抖擞，个个欢呼雀跃，神采飞扬。因为这是自1906年以来，革命党人多次起义均告失败后，从未有过的辉煌。
革命的根本问题是政权问题。但当时起义军还没有达到这种认识高度，占领武昌后由于群龙无首和缺乏政治眼光，却感到无所措手足。蒋翊武因革命党机关被破坏而逃亡在外，孙武因被炸药炸伤而住进医院。指挥工程营发难的是熊秉坤，他在新军中只是个正目即班长，攻到楚望台便难以调动全军，只得推出一个同情革命的队官吴兆麟来充当临时总指挥，而且多数革命党人还不大同意，因为吴兆麟并不是革命党人，但情势紧急且军中官阶观念又很强，所以也只得如此。其实队官也不过相当于连长。
10月11日上午武昌全城光复，革命军准备建立湖北革命军政府，推举都督时，认为吴兆麟也不足以号召天下了，出于等级观念，只希望有一位资深的人来组织政府。找来找去也未能找到一位合适人选。这时立宪派的谘议局议员和新军旧军官们就推出黎元洪来，竟得到了多数人的同意，并推举立宪派头目汤化龙为政事部长。新的革命政权就这样落入了反革命势力的手中。即便如此，黎元洪起初还不敢出任都督，待把他捉出来，告之由他任都督并组织革命军政府时，他吓得脸色惨白，张皇失措，颤颤巍巍地说：“莫害我，莫害我！”这时在他身边的革命党人李翊东用枪逼着黎元洪，说：“你做满清这大的官，应该杀的。我们今天不杀你，反举你做都督，你还不干。”声称要把他杀了，被众人阻止。于是李翊东又说：“不管他承认不承认，把告示用都督黎的名衔张贴出去就是了。”随后就将革命军政府的告示贴了出去，告示上的“黎”字还是由李翊东代写的。可是没有想到这告示一贴出去，竟在民众中引起轰动，人们惊异地说：“想不到黎协统也是革命党。”似乎又壮大了革命声势。
武昌光复的当天，汉口和汉阳也随即光复，汉口和汉阳的驻军是新军第四十二标的两个营，文学社在该军中起主导作用，因此武昌义旗一举，汉口与汉阳立即响应并顺利占领全城。汉阳建有全国最大的兵工厂，汉口商业繁华，汉口与汉阳的光复，遂使武汉三镇这一革命中心成鼎足之势，极为有利。
