革命的客观条件日趋成熟，同盟会的领导却发生了愈来愈严重的危机。少数同盟会员反对孙中山，一再掀起“倒孙风潮”。1907年，张百祥等在东京组织共进会以联络会党，把同盟会的“平均地权”改为“平均人权”。1910年陶成章、章炳麟等在东京重建光复会，实际放弃同盟会宗旨。1911年7月，宋教仁、谭人凤等在上海成立同盟会中部总会，把武装起义重点转向华中一带，它的成立填补了同盟会的领导空缺，使长江流域的革命力量有所加强，但未能从根本上改变同盟会领导力量的涣散状态。在革命的主观条件准备不足的情况下，各地尤其是华中地区一些基层革命团体的深入的组织发动工作和许多革命党人的实际活动，才使革命的爆发成为可能。
革命的爆发
进入1911年，革命的形势愈益成熟。5月，清政府唯帝国主义之命是从，颁布铁路国有上谕，宣布各省商办干路一律收回，随即同英、德、法、美四国银行团签订了借款合同，将从中国人民手中夺得的权利拱手献给了帝国主义。此举立即引起全国人民的愤怒。与铁路国有直接相关的湖北、湖南、广东、四川等省人民强烈反对出卖路权，掀起了轰轰烈烈的保路运动。四川保路运动尤为波澜壮阔。至8月，重庆、郫县、江津、温江等各地成立保路同志协会近七十个，会员数十万人，成都召开数万人的保路大会，散发传单，号召罢市罢课、停纳捐税以示抗议。9月，保路风潮扩展为全省抗粮抗捐，群众暴动接连发生。四川总督赵尔丰在成都逮捕保路同志会和川路股东会的负责人，并枪杀请愿群众数十名，造成流血大惨案。同盟会员龙鸣剑等和哥老会组成保路同志军进围成都，转战各地，攻城夺地，猛烈冲击清政府在四川的统治。
四川保路运动成为辛亥革命的导火线。这场运动的迅速发展，引起全国动荡不安，革命党人受到鼓舞，在各省积极准备起义。汉口革命党人主办的《大江报》发表社论，公开号召人民起来革命。同盟会中部总会看到起义良机已经到来，主张由革命力量充实的武汉方面首先发动，其他有准备的省份同时响应。在清政府全力应付四川保路运动的时候，湖北新军中的文学社和共进会等革命团体乘机发动武昌起义，揭开了辛亥革命轰轰烈烈的一幕。
长期以来，武汉革命党人坚持了扎实细致的革命宣传和组织工作，在各界群众特别是新军中聚集了雄厚的革命力量。到起义前夕，驻武汉的一万五千多新军士兵中，已有六千人参加了文学社和共进会。9月下旬革命党人感到形势紧迫，召开文学社、共进会联席会议，决定于10月6日（中秋节）发动起义，后由于形势瞬息变化，起义推迟。10月9日（八月十八），在预定起义的那一天，共进会负责人孙武在汉口装配炸弹时不慎爆炸，湖广总督瑞澂下令闭城搜查，汉口和武昌的起义指挥机关遭到破坏，一些起义的领导人被捕、被杀或避匿。在这种情况下，新军各标营中革命士兵深感形势严重紧急，开始主动行动，起义终于爆发了。10日晚七时左右，武昌城外塘角的辎重营和城内工程第八营几乎同时发动，各标营继起，经一夜苦战，11日晨革命军占领总督署，全城光复，首义成功。汉阳、汉口也先后为革命军占领。11日，起义士兵聚集到湖北咨议局，在咨议局议长汤化龙等人的参与下，宣布成立中华民国湖北军政府。革命党的领袖们未亲身参加起义，缺乏政治经验的起义士兵们对自己掌握政权没有信心，清湖北新军协统黎元洪在革命士兵的枪口逼迫下做了这个刚建立的湖北军政府的都督。军政府随即发布各种文电，宣布清政府对内专制独裁、对外出卖主权的罪行，号召各省揭竿而起，为推翻清朝建立民国而奋斗。11月，湖北军政府公布《中华民国鄂州约法》。它是全国第一个按照资产阶级民主原则拟定的地方宪法。在中央革命政府成立前，这部约法具有国家根本法的性质，对起义各省军政府具有指导作用。这个时期的湖北军政府，虽受到立宪派和封建官僚的阻挠破坏，基本上是一个资产阶级共和制的省级政权。
武昌起义的胜利，在全国得到了连锁反应，各省革命党人纷纷行动起来。最先起来响应的是湖南。10月22日，同盟会员焦达峰率湖南新军在长沙城外宣布起义，攻入巡抚衙门，焦达峰被推为湖南军政府都督。月底，湖南立宪派发动兵变，焦达峰被杀，原咨议局议长谭延闿掌握政权，担任都督。与湖南响应的同一天，陕西革命党人率领新军士兵在西安起义，次日占领全城，新军军官、同盟会员张凤翔被推为秦陇复汉军大统领（后改都督），组织陕西军政府。23日，九江新军起义，月底光复南昌，江西军政府建立。29日，太原新军起义，新军标统、同盟会员阎锡山担任山西军政府都督。30日，昆明新军起义，次日攻占督署，参加起义的新军协统蔡锷被推举为云南省政府都督。11月3日，同盟会员陈其美、光复会员李燮和发动上海起义，陈其美被举为沪军政府都督。3日夜，贵州新军起义，革命党人杨荩诚被推为都督。4日晚，杭州新军起义，立宪派汤寿潜为浙江军政府都督。5日，江苏巡抚程德全由于形势所迫，在苏州宣布和平独立，任共和政府都督。7日，广西立宪派宣布和平独立，以前巡抚沈秉堑为都督。8日，安徽咨议局在安庆宣布和平独立，原巡抚朱家宝为都督。8日晚，福州新军起义，次日占领省城，新军统制孙道仁任福建军政府都督。9日，在各路民军进逼省城的情况下，广州绅商各界在咨议局宣布独立，举两广总督张鸣岐为都督，张逃匿，推同盟会员胡汉民为广东军政府都督。正处在保路同志军活动高潮中的四川，11月5日，同盟会员、新军排长夏之时在简阳起义，东进重庆。22日，会合重庆党人张培爵成立蜀军政府，以张为都督。27日，四川总督赵尔丰表示愿意让出政权，在成都成立四川军政府，以咨议局议长蒲殿俊任都督。
至此，全国宣告独立、脱离清政府的省就有十四个。北方未独立各省，有的地方清王朝统治较强，如直隶、山东、河南；有的远在边陲，革命党势力较弱，如新疆、奉天。那些省份也不平静，革命党仍然组织了一系列武装起义。武昌起义和各省响应的局面是同盟会长期以来积蓄力量、艰苦奋斗的结果。在清政府严酷统治下，同盟会选择了武装起义的方针，坚持不懈，百折不挠。大批同盟会员在各省区深入新军，联络会党，建立分支机构，积极为武装起义准备条件。已独立的省中，九个省是革命党人在省会发动武装起义实现独立的；江苏、广西、安徽、广东、四川五省采取了“和平独立”的形式，这是由于全国已处于革命高潮之中，当地武装起义的条件已经成熟或接近成熟，立宪派和清朝官僚不得不转变态度，从权应变。所有这些，构成了辛亥革命的全貌。
武昌起义之后，立宪派纷纷表示赞成革命。这一变化，加速了清政府的崩溃，使得力量对比更有利于革命方面。但是革命派在新政权中很快表现出他们的领导力量和地位的软弱性。他们或将武装起义夺来的政权拱手让给立宪派和旧官僚，或不能对靠“和平独立”建立的政权进行革命改造，以至在各省军政府内，革命派力量日渐削弱，立宪派和旧官僚的力量则不断膨胀。