革命軍九月十二日失去了漢口，十四日就得了比漢口更重要的上海，接著十五日浙江全省獨立，十六日光復甦州，十月七日漢陽撤退後，十二日就攻克了南京，使革命勢力並未減弱，反而蓬勃。南京攻擊戰是一場硬仗，戰鬥經過有一段曲折而複雜的過程。
當時在南京的，有兩江總督張人駿，江寧將軍鐵良，他們所恃的武力，是江南提督兼欽差江防大臣張勳的部隊。張勳在南京城內一枝園設立大本營，用極慘酷的手段鎮壓南京人民，一枝園、浮橋一帶軍警林立、殺氣騰騰，行人卻步，凡是剪了辮子的人，被捕、被殺，不計其數，沒有頭髮的人頭高懸在大行宮、花牌樓一帶，整個南京變成了恐怖世界。
南京城外雨花台、馬神廟、秣陵關一帶是徐紹禎的防區。徐是新軍第九鎮統制兼江北提督，他和張勳曾為了革命問題幾乎動了武。徐主張參加革命，張反對，於是徐便單獨到上海投奔革命陣營，並在上海籌組蘇、浙、滬聯軍，進攻南京，推舉徐為聯軍總司令，於右任為秘書長，孫毓筠為副秘書長。下轄：寧軍司令柏文蔚、鎮軍司令林述慶、蘇軍司令劉之潔、滬軍司令洪承典、浙軍司令朱瑞、淞軍司令黎天才、滬軍先鋒隊司令丁懷瑾等。聯軍總部設於鎮江洋務局。
十月初三日聯軍與張勳部隊戰於孝陵衛，張軍敗北。初五日淞軍黎天才部攻佔烏龍幕府兩山，浙軍朱瑞部同時佔據馬群附近要隘，攻佔孝陵衛。
此次戰役，同盟會員丁懷瑾（號石生）有《辛亥光復滬寧記》，記載其事，茲錄於後：
辛亥秋，余自日本偕同志返滬濱，組織敢死隊，寧波留日同學胡以魯（號仰曾）贈詞以壯行色，茲錄其詞及序：石生先生組決死隊回國，參與光復重任，奉此詞以壯行，並同隊諸志士，仰曾敬贈，詞曰：秋風肅肅送君新橋（日本東京車站之名），行矣哉故國非遙，恢復中華在崇朝，行矣哉氣爽秋高，落紅不是無情物，為國捐軀此七尺。
光復春申，參與之革命志士不滿百人，推陳英士同志都督滬軍，勸黎天才統領率部來歸，余並促黎一軍進佔金陵城外之鳥龍、幕府兩山以據形勢；守金陵者為辮子將軍張勳，遣城內防軍拂曉出擊，見兩山已懸白幟，乃屯於山下不敢進。浙江朱價人進攻紫金山，以無炮隊久不下，余乃函英士商撥炮營助攻。復約黎天才，以舊有江上炮台可轉射南京城內，惜我軍無習炮術者，余於山下遇一旅行之英人，知系海軍，邀返炮台，渠握其機鈕，即靈轉自如，發炮三枚，攻城內北極閣等要地。適兩江總督張人駿、提督張勳並各司道會議閣上，聞炮聲駭散。不二日而英國領事偕道員郭某，奉命懸白旗來商罷戰，南京乃告光復。
余有南京光復詩紀其事，中有兩句云：「兩張（即兩江總督張人駿，提督張勳）心膽應驚碎，一炮聲威欲避難。」
南京之光復也，張勳率眾退出臨淮，轉赴徐州。黎天才軍先入，浙軍暨滬軍先鋒隊各分道入，是時先後入駐金陵一帶之聯軍，有徐固卿部，皖軍柏烈武部分駐江南北，而金陵都督一席爭執殊烈。余既電促先總理早日回國，且勸黎天才速就都統，率師援鄂，一場風波得以鎮定。辛亥光復南京之初，堯化門為軍事重地，蘇州程雪樓都督亦來駐，一日餘帶炮兵抵此，參加紫金山之戰，有壯馬，程感興趣，意欲試騎而足不靈。時有兩僧方來自金陵城內，欲謁都督報告軍情，及見程乃僅云：城內人心驚惶，張大帥愛姬小毛子已北去云云。余紀事詩中有兩句云：跛足將軍欲乘馬，禿頭和尚大吹牛。時浙軍協統朱價人（瑞）見之，為之捧腹，雲可寄與英士作滬軍都督府一段諧談也。
這是丁懷瑾（石生）親身經歷光復南京的筆記，不僅有史料價值，而且輕鬆有趣。
光復南京的聯軍總司令徐紹禎，字固卿，廣東番禺縣人，曾任福建武備學堂總辦，江西常備軍統領。兩江總督李興銳調他為兩江兵備處總辦，兼新軍第九鎮統制。第九鎮是中國首先實行徵兵制的新軍。當江北提督、會辦江防大臣王士珍丁憂辭職時，清廷派徐兼攝江北提督。他這時已同情革命，引進同盟會會員柏文蔚、冷-、趙聲等為管帶。南京臨時政府成立後，徐自動撤銷聯軍司令部，所部交陸軍總長黃興直接管轄。孫中山先生曾任命徐為南京衛戍總督，後來孫中山先生卸除臨時大總統，南京衛戍部併入南京留守府。孫中山先生為了酬庸徐革命功績，乃贈以八厘公債100萬元，徐提出1．4萬元為《民立報》的補助費，1萬元為女子北伐隊的結束費，其餘一概奉還政府，頗有清譽。
徐的頂頭上司是江防大臣張勳，兩人為了革命幾乎決鬥。聯軍攻克南京時，捕獲張勳愛妾小毛子，徐把她安置在門簾橋陳善家中，上海都督陳其美主張把小毛子解到上海，陳列張園任人參觀，收門票四角。因小毛子有艷名，據說門票可收入10萬元，以助軍餉。徐不同意，並派陶遜護送小毛子到徐州，交還張勳。張大喜過望，派辮子兵排隊到車站迎接陶遜，並將所扣100輛火車交還鐵路局以作報酬。
清軍攻下漢陽後，清廷加封袁世凱為一等候爵。袁世凱這時已受任組閣了，他對於侯爵之類的殊榮已不感興趣，他的辭爵奏折可以看出當時清廷的內外處境：
「內閣總理大臣袁世凱跪奏，為瀝陳下情，懇恩收回封爵成命，恭折仰祈聖鑒事：本月初八日奉旨：『朕欽奉隆裕太后懿旨，內閣總理大臣袁世凱公忠體國，懋著勤勞，自受任以來，籌劃國謨，匡襄大局，厥功尤偉。著錫封一等候爵，以昭殊獎，毋許固辭，欽此。』跪聆之下，欽悚莫名。伏念臣世受國恩，屢叼殊遇，本年武漢事起，重膺疆寄，兼綰兵府，尋以更新政治，-秉鉤衡，當難阻之迭乘，憤阽危之莫挽。綿歷數月，寸效未收，國勢土崩，人心瓦解，千瘡百孔，無術補苴，誠有如明臣史可法所言，但有罪之當誅，並無功之足錄者。謹將微臣受任以來，為難情形，為我聖上披瀝陳之：此次各省事變，始而軍隊興戎，繼而官民響應，未及一月而淪陷者十有三省，甚至畿疆東夏亦多離渙。朝廷俯順民情，允准資政院所奏，頒布憲法信條，君權剝削殆盡，無復留轉圜之餘地，近人謂虛君共和者即同此意。臣入朝之初，抱定君主立憲宗旨，冀以挽救大局，雖近畿軍隊漸就範圍，山東一省取消獨立，方謂初衷可期勉遂。乃漢口甫下，海軍繼叛，漢陽既克，金陵復失，友邦出面介紹，以尊重人道息戰和商為請，於是遣派代表，討論大局，磋商兼旬，迄無效力。民黨堅持共和，毫不通融，而順直河南咨議局從而和之，腹地各省時虞不靖，近則庫倫、伊犁、呼倫等處亦相繼告變，以數百年之屏翰，亦有倒戈之形。臣苦慮焦思，深恐大局決裂，貽憂宗社，不得已瀝陳實情，仰蒙慈聖召問王公大臣，詢謀僉同，遂奉召集臨時國會，公決國體之旨。臣之初志既已背馳，然尚望國會開成，或不至偏重共和，尚存君憲之望，乃召集地點及正式選舉法皆不克議行，而紛紛電請者，不獨素著時望之紳衿，曾主事功之督撫，洞達外勢之使臣，即各埠商團公會，亦多堅主共和。臣獨坐深思，每為泣下，誠不知人心何以如此乖離？國勢何以竟對維挽？此臣奉職無狀者一也。以軍事言，臣起家督師之始，即以軍事重大，請餉增兵，經奉准後始敢成行，餉械之籌撥，軍隊之召募，均未齊備，迭奉催往之命，及臣親赴前敵，激勵將士，規復漢口，若竟乘勢進取，武昌未必不下。而其時朝野建議，各界爭持，眾口一詞，皆請主撫，因之，明詔迭頒，不以兵力從事。臣奉宣德意，停止進攻，洎入都後，籌計餉需，搜簡軍器，無一不形匱絀，借款屢議，迄無所成。乾隆新疆金川諸役，喜慶川湘陝豫之師，餉款合計皆及萬萬。中興告功，而各路銷餉者至十萬萬。今兵食之籌備者，知本月而不知下月，幸荷慈施，屢發內帑，免於饑潰，而兵不能增，餉不能益，顧此失彼，左支右吾，江寧荊襄之不能救，弊皆坐此。兼之黨人到處煽動，土匪乘機竊發，失陷之地未易復，而安靖之處亦難保無虞。民軍可隨時增加，我軍則只有此數。東三省組織之軍隊，徵調而弗能即至，秦晉皖豫環起之土匪，屢剿而尚未廓清，遂致軍事至今亦無起色。此臣之奉職無狀者，又一也。軍事既屬困難；外交復形棘手，即如鐵路之運兵，關稅之抵款，及各外國商團亦以條約失其效力，要求保護生命財產，皆事之尤為顯著，曠日持久，枝節必多，理喻情求，斡旋何術。此臣之奉職無狀者，又一也。至於政治因軍事而延擱，腐敗如前，人才以學說而推遷，振起不易，猶其小焉者也。臣以衰病之身，受恩如此，受任如此，而咎愆日積，涓埃無補，分當自請罷斥，只以累世受恩，仰見宵旰焦勞，不忍以言去者重煩聖慮，然若再受高爵，則上累朝廷賞爵之明；下辜全國軍民之望，其何以昭示天下，表率群僚？唯有懇恩收回成命，使臣之心跡稍白，免致重臣之罪，無任激切屏營之至。所有吁懇收回成命之緣由，理合恭折瀝陳，伏乞皇上聖鑒訓示。謹奏。」
袁的這篇奏折，想學諸葛武侯的出師表，又想把自己塑造成史可法一流人物，可惜他心懷二意，所以氣既不壯，意難動人，但從他這篇奏折中，可以看出當時清廷的內外情勢。袁或許強調了這些情勢的嚴重，不過當時的困難情勢倒是確實如此的。
當時奉天八旗子弟曾有一封奏電，表示得非常激烈，可是也只止於表示而已，該電如下：「我奉八旗子弟世受國恩，斷不忍坐視君主遜位，任彼革黨強以共和虛名欺蒙，儻革黨者仍不反正，東省八旗子弟定必組織決死隊，附入北軍，定期南征，與伊以鐵血相見，先行電奏」可笑是這一個電文，既未嚇倒革命軍，就連清政府亦不予重視，這正應了袁世凱的話：革命軍是越戰越多，越打越勇，清軍是越戰越小，越打越怯。