黄花岗起义失败后，同盟会把革命活动的重心转移至长江流域；四川保路运动高涨，迫使清政府抽调大部驻扎于武汉的新军入四川。湖北革命团体文学社、共进会在同盟会中部总会的号召下，伺机发动起义。文学社领导人蒋翊武被推举为湖北革命军总指挥，共进会领导人孙武为参谋长，同时派人邀请黄兴、宋教仁等到湖南主持大局，并与附近各省加强联系。起义时间经过多次更改，到后来却因孙武在汉口制造炸药失事，令计划败露。湖广总督瑞澄下令搜捕革命党人。蒋翊武得以避脱，而彭楚藩等三人则遇害。

由于形势所迫，1911年10月10日晚，新军工程第八营革命党人熊秉坤等率先发难，各营奋起响应。11日晨，革命军攻占督署，瑞澄逃到江中的军舰上，统制张标率领卫队略作抵抗，便随即败走至汉口刘家庙。10月11日晚，革命军占领了汉口。清政府大为惊恐，下令瑞澄、张彪带罪立功，又派陆军大臣荫昌率领两镇军队前赴湖南镇压，并命令海军到江面协助。

奉袁世凯命令开赴武汉的北洋第一军，在冯国璋率领下同革命军血战。革命军苦战后撤退。11月1日汉口失守，革命军撤退至汉阳。在匆忙赶至武汉的黄兴指挥下，军队决定固守汉阳，伺机反攻汉口。11月16日，革命军突袭汉口，黄兴亲临前线指挥，一度大败冯国璋部队，后来却因左翼军溃退，以致功败垂成。革命军在攻守战中作出了重大贡献，武昌起义的旗帜对促成全国响应起了巨大作用。至11月下旬，全国已有14省先后响应，宣布独立，形成了全国性的辛亥革命。

武昌起义胜利后，10月11日成立了中华民国湖北军政府──辛亥革命运动中第一个建立起的地方新政权。军政府立即着手制定法律，颁布内政、外交方针的公告。宋教仁等参与起草的共和国第一部法律文献──《中华民国鄂州约法》，把共和制度用法律形式确定下来。在南京临时政府成立（1912年元旦）前，湖北军政府一度代行中央政府的职权。湖北军政府在武汉三镇的攻守战中表现坚决，积极支持革命军的战斗。