孫中山先生領導的同盟會雖然發動多次革命起義未獲成功，可是革命組織卻像雨後春筍一樣滋長於武漢。革命組織有的是屬於同盟會的，如日知會；有的是和同盟會有聯繫，如其進會、群治學社、振武學社、文學社、共和會等。
日知會的重要分子有：劉家道、朱子龍、劉靜庵、王漢、陳棟、李亞東、胡瑛、梁鍾漢、李良軒、張難先等。負責聯絡湘鄂會黨，把他們介紹到湖北的新軍，是由湖瑛擔任。胡瑛原名宗琬，是湖南桃源人，長沙經正學堂出身，早年是個敢作敢為的革命志士，曾和吳樾同謀炸出國考察憲政的五大臣；後來在東京最早參加同盟會；又曾在京漢線跟蹤鐵良，想把他刺死。他說話時頗像念台詞，如：「你從哪道而來」，「老夫自有道理」。口音像桃源話，又像湖北話，又像四川話。日知會的本部設在漢口聖公會，後來被清廷破獲，重要會員全部被捕，僅李亞東、張難先越獄逃脫。胡瑛在獄中神通廣大，竟能說服獄卒供他差遣，和革命黨人繼續聯絡，把革命工作報告在上海的黃興和陳其美。
共進會是同盟會的外圍組織，創辦人有張百祥、余晉域、焦達峰、劉公、劉英、孫武、居正、吳慈祥等。以兩湖為革命活動中心，會費由劉公擔任。辛亥起義時本應推劉公為鄂軍都督，因找不到他，才臨時抬出黎元洪。孫武因名字和孫文相近，大家訛傳他是孫文之弟：「孫文的兄弟都來了，我們快點參加革命。」新軍就是這樣踴躍參加的。焦達峰是湖南光復後的第一任都督。
群治學社以新軍和文化人為基幹，光緒三十四年（1908年）十一月廿日在武昌小東門外金台茶館成立，創辦人為楊王鵬、唐犧支、潘康時、蔡大輔、李挹良、蔣翊武、劉堯-、何海鳴、詹大悲、林兆棟、鄧玉麟等，以漢口《商務報》為宣傳機關，後來《商務報》因反對粵漢鐵路借款被封，群治學社亦被破壞。
振武學社是群治學社蛻變的，社長為楊王鵬，吸收的幹部多為湖北新軍，其組織在各清軍中頗有基礎，如湖北新軍廿九標、卅標、卅一標、卅二標、四十一標、四十二標、馬隊、炮隊、工兵營、輜重營、陸軍中學堂、陸軍測繪學生均有參加。
文學社又是振武學社的後身，由蔣翊武任社長，詹大悲在漢口辦《大江報》，胡瑛亦在獄中參加。武昌起義，文學社的貢獻很大，功不可沒。
共和會是湖北青年在北方的一個組織，原名斷髮會，後組成共和會，發起人是湖鄂公、熊得山、錢鐵如、覃秉清、邱壽林等。胡鄂公後來回到武昌成立共和會武昌支部，然後再去京滬，待他第二次回武昌時，正是辛亥年八月十九日（10月10日）武昌起義那一天。
武漢起義在革命黨人的策劃下，本來是有計劃有步驟的，他們先組織各種革命團體，然後在各新軍內發展組織，吸收幹部，最後且制定起義時的軍事部署，比起以前各次起義，算是最有安排了。怎知起義是功成了，但卻完全沒有按照事前的計劃進行，也就是說一切預定的計劃還未開始就被清地方當局全部破獲。
原來革命黨人初定辛亥年八月中秋發難，因黃興、宋教仁、居正未能如期由上海趕來，乃改期八月十八日午夜十二時，不料這天下午，孫武在漢口租界寶善裡試驗炸彈，爆炸負傷，被俄警入屋搜查，革命文告、名冊、彈藥、印信、旗幟、符號悉被搜出。晚間武昌小朝街革命機關張廷輔家亦被搜查，彭楚藩、楊宏勝、劉堯-（復基）、蔣翊武等被捕。彭、楊、劉三烈士遇害，蔣翊武機警得以逃脫。武漢因之宣佈特別戒嚴，黨人紛紛走散，彼此消息不通，預定十八日起義遂不果。
天下事往往種了因就會結果，由於武漢新軍內秘密參加革命組織的幹部很多，自湖廣總督瑞-對革命黨人大加整肅後，軍心皇皇，極為不穩，流言傳聞，草木皆兵。過了一天，到八月十九日，整個武漢的新軍已接近爆炸的程度，這時候武昌城內共有步隊三營，工程隊一營，旗兵三營，督署教練隊一營，巡防營數營，兵力不可謂薄弱，無如人心思漢，清運將終。當瑞-接替張之洞為湖廣總督時，一抵任所就問第八鎮統制張彪：「老實說，你部隊中究竟有多少革命黨？」張彪也很老實地回答說：「不敢瞞大帥，大約有三分之一」。
八月十九日晚七時，工程第八營副班長金兆龍和兵士程定國正在擦槍裝彈，工程營後隊第二排排長陶啟勝忽然跑到金、程二人面前大聲叱責說：「你們想造反嗎？」金反唇說：「老子造反你要怎樣？」陶大怒說：「你敢犯上，這還了得，來人把他們抓了。」於是二人互相扭作一團，程定國乃自陶背後用槍托向陶頭上狠狠敲擊一下，立時頭破血流，程再向陶射了一槍，這一槍就是武昌起義、推翻清朝的第一聲槍聲。陶負傷下樓逃走，由於這一槍使得全隊動搖的軍心火上加油，大家爭說「起義了！」班長熊秉坤立即集合營中革命志士開始行動，工程營代理營長阮榮發、右隊隊官黃坤榮、司務長張文濤拔刀阻止，程定國連發兩槍，擊斃了黃、張，阮亦被殺。眾志士即將營內子彈搬取而空，一哄出營，逕奔楚望台軍械所。這一支首義部隊不過三百人，到楚望台時已有志士在內響應，所以未發一彈就加以佔領。這時群龍無主，沒有領導的人，於是大家推舉工程營左隊隊官吳兆麟為起義的革命總指揮。吳乃在楚望台西南凹地集合全體志士，確定軍事行動。
辛亥武昌起義就是這樣開始的！
工程第八營在武昌城內首義後，響應的僅炮隊第八標，測繪學堂學生及步隊廿九標一排，城外輜重工程兩隊，合計不過2000餘人，其餘清軍俱未響應，如果湖廣總督瑞-和第八鎮統制張彪能沉著應付，則武昌起義亦可能和以前各次起義一樣失敗。可是瑞-是個膽小鬼，起義的炮隊用大炮向督署轟擊，瑞-已心驚膽落，連聲說，「炮彈沒有眼睛，如落在面前可就不得了。」言猶未畢，一枚炮彈就在督署爆炸，時當深夜，爆炸聲極為猛烈，瑞-也顧不得自己是地方上最高首長，忙問左右：「往哪兒躲？」左右答：「往城外兵船上去。」瑞-連財物家小也顧不了，同時不敢從督署大門出去，命差役把後牆打穿一個洞，帶巡防衛兵一排出文昌門上楚豫兵船，還傳諭守文昌門士兵不要說出總督的行蹤。至於張彪呢？起義時他正在文昌門內豪華的公館中，聽說城外工兵輜重兩隊嘩變，以為無關緊要，繼聞城內工程第八營起義，這才心驚膽落，慌忙用電話傳諭各營。不久又聽說炮隊全體響應，更是手忙腳亂，不知所措，加以身旁馬弁和四姨太都繪聲繪影地說革命黨如何凶如何狠，哀求張暫避，把個張彪越發搞得頭昏腦脹，他的部下趕來請示軍情，也被疑是革命黨而拒絕不見。到了午夜電話不通，張彪更如坐針氈，束手無策，又不敢外出，唯有緊閉大門。八月廿日清晨五時，革命軍已佔領總督衙門，署內守兵棄槍逃竄，守督署的騎兵隊長朱明超，帶了馬兵廿人逃至張彪公館，報告「督署被佔，請統制暫避」。張彪這時才知大勢已去，乃將細軟首飾存款折子裝在一個大手袋內，準備和四姨太太一塊出城，到漢口租界覓大倉公司經理菊三郎暫避，正準備時，又有平湖門外輜重第八營營長安錄華來報告說該營還沒有革命黨，張彪一聽大喜，即命安錄華和朱明超率領馬隊送張的家眷出城改乘船至漢口，張本人則前往輜重第八營。到了營部，該營管帶蕭安國請示機宜，張彪卻又拿不出辦法。大家你一言我一語，做不出結論，只知瑞制台已上了楚豫兵船，可是楚豫輪開往何處也不知道，全武昌城沒有領導人，革命軍已佔領全城，輜重一營恐怕不能抵抗革命軍，加以軍心也難控制，不知何人是友，何人是敵。大家在無辦法中決定先把這一營帶到漢口清靜地方集合，免受革命「瘟疫」的傳染，張彪認為很好，乃命輜重第八營開至漢口劉家廟集合，自己也棄城逃走。
革命軍在八月廿日天明時，已佔領武昌全城，以白布為旗，遍插城上，全城各營軍士各機關學校均聞風響應，手纏白布，齊集楚望台宣佈參加。
武昌城內既然全被革命軍佔領，革命志士馬榮和楊啟發遂往尋第廿一混成協協統黎元洪。他們到了黎宅後見到伙夫擔了三件皮箱外出，盤問之下，才知黎協統已匿居黃土坡的劉文吉參謀家，於是帶隊前往劉家，先將其家前後包圍然後闖門而入，其勢洶洶，劉家人問來此何為？眾人說來請黎協統，馬、楊衝至臥室找到了黎。黎說：「我平日待你們不薄，今日為什麼要和我為難？」馬榮說：「我們是來請統領到楚望台的。」黎說：「革命黨人才濟濟，要我何用？」馬榮說：「無論如何請統領去一趟。」黎無奈，穿一件藕色呢長袍玄色呢馬褂，隨眾到了楚望台，革命軍特鳴槍整隊致敬。黎見到吳兆麟時還說：「你們為什麼這樣胡鬧，革命是要誅戮全家的，你學問很好，資格也深，萬不該鬧革命！」黎的話使革命志士很生氣，原來黎和吳在參謀學校曾同學四年，黎很佩服吳的學問，但黎在清軍地位高，故對吳講話很隨便。吳兆麟這時忙向大家解釋說：「黎統領很愛護我們，剛才的話實在是關照我們，讓我和統領談談。」
黎元洪在吳營中和起義的首領們會議，黎問：「現在督署雖攻下，可是瑞-、張彪未獲，你們何以善其後呢？」大家答：「請統領作主。」黎問：「你們恃何為援？錢糧有多少？」鄧炳三偽稱：「京山劉英已經組成了十萬軍隊，二三日後可以抵達武漢。」熊秉坤說：「錢糧方面現存官錢局銅幣局糧幣局和藩庫的銀幣合共有三千萬，立刻可以取用。」黎又問：「倘瑞-、張彪增兵來攻，水陸並進，如何應付？我在海軍多年，知道海軍大炮的厲害，只須十彈就可以粉碎本城，到那時候，你們打算退向何處？」鄧炳三答：「可以退湖南。」黎問：「退湖南又有什麼把握？」鄧答：「焦達峰已訂下月起事。」黎聞言默然甚久，然後歎了一口氣說：「我只有這條命，給你們玩掉罷！」正談論間，劉靜濤自外氣喘而入，告訴大家說湖北咨議局議長湯化龍請黎統領和革命代表於中午12時到咨議局會商組織政府，大伙乃在11時半稍後擁黎徑赴咨議局，湯化龍和湖北士紳已在咨議局迎候。湯是湖北名流，進士出身，黎見這個非革命黨人也同情革命，意思才活動起來。當即決議組織軍政府，推黎元洪為鄂軍都督。黎則力辭，這時有人擬就都督安民佈告請黎簽署，黎猶豫未決，其親信王安瀾亦拽衣勸黎勿就都督。這時守衛的測繪生李翊東、陳磊等憤欲舉槍，黎這才低歎了一口氣，徇眾議鈐印。黎是著名的穩健派，且相當有聲譽，他出而領導革命，對內穩定了湖北人心，對外刺激了一般非革命黨人，認為像黎元洪這樣的人都參加了革命，可見反清革命確是時代需要。
黎元洪雖然就任鄂軍都督，但他既不是革命黨，對革命事業也沒有信心，所以他臉上既無表情，又來個一問三不知，大家只好叫他「黎菩薩」。他在都督府組成後即要求回家一行，後來竟由家中轉去他的混成協司令部，可是革命軍方面對他護衛甚嚴，除派六名軍士保護其眷屬外，還有12名隨黎左右。八月二十一日黎返咨議局後，即以局內前樓東端房間為都督居住，黎入居後其親信王安瀾向革命同志報告：「黎已兩日不進飲食，亦不與人說話，好像做新娘一樣」。革命同志聞之大為不滿，認為黎如此反對革命，實在可惡。陳磊說：「我想黎是故意作狀，如革命失敗，他便可求清廷原諒；如革命成功，則坐享元勳地位。其實他如果真是忠於清室，十九日為何不死？」甘績熙說：「黎這態度我真看不來，還不如給他一槍了事」。於是陳、甘二人竟持手槍向黎房走去，大眾勸阻，甘說：「我不打死他，亦要他表示一個決心。」乃跑到黎處說：「黎宋卿先生，我們同志流血不少才換得今日成績，舉你為都督，你這幾天的態度，太對不起我們同志。我對你說，今日之事，不成你是拿破侖，事成你便是華盛頓。成敗對你都佔便宜，你再不下決心，我就和你拼了」。黎元洪說：「你年輕人不要說激烈話，我在此兩日，並沒有對不起你們。」陳磊說：「黎都督沒有對不起我們，但是你的辮子尚未剪去，你身為都督該作一個模範，先去辮子以示決心，聽說你自到咨議局茶飯不進，今有一言奉告，現在是民國了，你盡忠民國便是開國元勳，若盡忠滿清，就該早點死節，二者必居其一，如今這麼裝模作樣，實在令人不解。今天做都督的人很多，不一定非你不可，望三思之。」黎仍慢吞吞笑道：「你們不要再如此激烈，我決心和你們走一條路，你們說要去辮子，我早就贊成，你們明天叫個理髮匠來把我的辮子剃去好了。」
在都督府中，大家的辮子都已經剪除了，除黎而外尚有三條辮子，一條是胡瑛，一條是鄭江灝，一條是孫發緒。孫本來是皖撫朱家寶派到武漢的密探，被胡瑛捉到，傾談之下甚為賞識，乃帶至都督府，向黎介紹：「此人乃幕府才，請委為秘書。」孫就任秘書後，替黎寫了一封信給海軍提督薩鎮冰。薩是黎的老師，孫替黎寫的信有云：「黨軍驅逐瑞督出城後，即率隊來洪營，當被索執，責以大義，吾師素知洪最謹厚，何敢倉促間出此？……誰無肝膽，誰無熱誠，誰非黃帝子孫，豈甘作滿族奴隸而殘害同胞耶？」此信為大家激賞，黎乃對孫刮目相看。由於孫有文名。他的辮子遂得保留，可是後來鄂省選派參議員時，孫本在名單內，因不剪辮而剔出，後來以黎都督私人代表名義北上活動，一會做省長，一會又做縣長。鄭江灝不剪辮子是因為：「身體髮膚，受之父母，不敢毀傷。」革命同志們威脅說：「如要留辮子，就要砍下腦袋。」他的辮子也就只好剪了。胡瑛則因為是革命老同志，拖到最後才剪掉。
為了提高都督的威望，八月廿六日（10月17日）黎明，鄂軍都督在閱馬廳舉行祭告黃帝和誓師典禮，由同盟會元老譚人鳳授劍授旗。譚字石屏，湖南新化縣人，在同盟會內年齡最大，鬚髮皆白，因此又被稱為「白譚」，他到湖北來是總理所派遣的。誓師典禮進行時，黎站在禮台上念了幾句演說詞，禮成。黎以安詳的步子走下禮台，騎了鄂軍中最大的一匹馬繞場一周，很像個樣子。隨後邀請各界在教育會會議，討論軍政府組織條例，由湯化龍和居正起草，宣稱是孫中山先生親自擬定的，因此條文還沒有念完，大家就一致舉手通過。根據這個條例，都督為一省最高文武長官，下設軍政、民政兩大部，軍政部設總司令由都督兼任，下設參謀部，部長楊開甲、副部長吳兆麟，軍令部部長杜錫鈞，軍務部部長孫武，副部長蔣翊武（未返武昌）、張振武、蔡紹忠。民政長湯化龍下轄政務司司長湯化龍兼，副司長張知本，外交司司長胡瑛，副司長王正廷，財政司司長胡瑞麟。胡只就職幾天，就被趕走。至於胡瑛是由牢獄中出來的，一腳跨進都督府後就自立為外交司長。當時人人想當部長，一方面罵別人不是革命黨，另一方面又罵別人無經驗無資格，由於有排擠和傾軋，很多參加軍政府的人心灰意懶，只有胡瑛的外交部長最起勁，別人灰心他熱心，別人無法他有辦法，他一字洋文不懂，可是既是革命老同志，又坐過監，所以別人碰不過他。
軍政府成立後集中兵力，組成四個協。每協成立後，各補充兵員一團，計步隊第一協統領吳兆麟，第二協統領何錫藩，第三協統領陳炳榮，第四協統領張廷輔。軍隊組織仍照清新軍制度。
軍政府派吳兆麟、李作棟、蔡濟民、徐達明四人清理全省儲款，合共有4000萬元，因此經費頗為充裕。
同時有謀略處，以蔡濟民、吳醒漢、鄧玉麟、高尚志、張廷輔、王憲章、徐達明、王文錦、陳宏誥、梁鵬等擔任。另成立招賢館，派劉度成負責。招賢館成立後門庭若市，饒漢祥等都是這時來投招賢館的，由於招賢館文士日多，軍政府電文佈告多交由招賢館辦理，不久軍政府復設置秘書處，以楊玉如為秘書主任，饒漢祥為副主任。