营官兵一概不得出营，并晓谕党人自首。在失去了指挥机关后，革命党人依然决定在当晚发动起义，商定以枪声为号。当晚，武昌城外清军混成协辎重营党人燃火发难。城内新军工程第八营的党人鸣枪起事（辎重营和工程营发难先后顺序有争议），他们打死镇压起义的清军官兵，占领楚望台军械库。随后，城内外各标营党人集结楚望台，人数多达三千余人，原日知会员、队官吴兆麒被推举为临时总指挥。
晚上10点30分，起义军分三路进攻总督署和旁边的第八镇司令部，同时命令已入城的炮八标在中和门及蛇山占领发射阵地，向总督署发其轰炸，但进攻连连受挫。12点后，起义军再次发起攻击，终于突破清军防线，他们在督署放火指引炮兵轰炸督署，瑞澄打破督署后墙从长江坐船逃走，第八镇统治张彪仍在抵抗。经过反复进攻，督署和司令部终被攻破，张彪退出武昌，整个武昌城都被起义军接管。
10月10日深夜，得知起义情况后，在保定军咨府军官学校（后改名陆军大学）学习的同盟会成员何子渊的六弟何贯中，与同寝室同学李济深等人，组织军校学生炸毁了学校附近的浏阳铁桥，阻断清军南下镇压起义的道路。10月11日，起义军将士在湖北咨议局建立革命军政府，他们认为军政府需要社会上有名望地位的人出资号召，于是邀请咨议局议员和地方绅商举行会议，推举清朝二十一混成协（旅）的协统黎元洪为军政府都督。同日，汉阳党人起义，占领汉阳全城，10月12日，汉口也为党人占领，至此，武汉三镇全部为革命军所控制。
1911年10月10日武昌起义爆发后，清廷猝不及防。湖广总督瑞澄谎报“地方安谧”，次日即奏报武昌失守，清廷内外震动。武昌起义的炮声彻底打破了清廷的幻想。消息传来，宫中一片大乱。摄政王急得团团转，隆裕太后整日以泪洗面，大臣们各怀心思，朝堂上乱成一锅粥。革命的火焰迅速蔓延，各省纷纷响应，清朝的统治摇摇欲坠。我坐在龙椅上，看着这一切，心中五味杂陈。我虽年幼，却也明白，这个古老的王朝即将走向末路，而我这个皇帝，也即将成为历史的注脚。在我登基成为皇帝的这三年里，这陆续三次的重大革命起义，我虽无力改变局势，却像一个旁观者，见证了旧时代的落幕和新时代的曙光