南湖炮八標早就做好了起義的準備，當晚，城內響起了槍聲，城北塘角方麵火光衝天。
徐萬年、王鶴年、蔡漢卿等人馬上拖出大炮，發炮以示響應。隨後便拖著19尊炮向中和門前進。沿途他們擊潰了伏擊他們的清軍，與城內派來迎接的金兆龍等部、繞城而來的第二十一混成協輜重、工程兩隊的革命士兵彙合，一起到達楚望台。
後來又有不少革命的新軍士兵到達楚望台軍械庫，他們齊集在起義的大旗下，在楚望台商量如何進攻督署。這時，反革命軍隊聚集在城西南角，革命軍在東南角。革命軍不僅占據有利地形，將城內製高點掌握在手中，而且還有充足的槍械，占有一定的優勢。所以革命軍決定迅速攻下督署，不給敵人以喘息的機會。曾參加過日知會，有較多軍事知識的工八營左隊隊官吳兆麟被推舉為臨時總指揮，以指揮眾人攻打總督衙署。吳兆麟當眾宣布了約章，命令熊秉坤、馬榮、鄺傑各領兵分三路進攻督署；程國貞指揮炮隊，在中和門城樓及蛇山等處布設陣地，向督署及第八鎮司令部發起炮擊；其餘分別執行巡查、策應、防守等任務及後備待命。
接近午夜時分，起義部隊向督署發起了猛攻。第一、二次進攻都失利了，第三次進攻開始後，在督署附近放火照明，火光衝天，炮隊得以準確地發炮擊中督署的所在地和第八鎮司令部馬房等處。各路革命軍突破防線，第八鎮司令部被起義軍攻克，隨後義軍逼近督署。湖廣總督瑞徵見革命黨人攻勢甚猛,驚恐萬狀，倉皇逃竄，乘“楚豫”號兵艦離開武昌。
在爭奪督署的激戰中，守敵依靠幾挺機槍的火力壓製住起義軍，並組織反撲，起義軍一度退守保安門。由熊秉坤等數十人組成的敢死隊攻到總署轅門下，在勇士們一次次的進攻下，湖廣總督衙門終於落到革命軍的手中。
次日清晨，革命軍占領了武昌城所有的官署與城門，紅地十八星旗高高地飄揚在黃鶴樓上空，武昌起義獲得了勝利。
革命政權的成立
武昌起義勝利後，建立革命政權成為革命黨人麵臨的最緊迫的任務。此前在文學社、共進會醞釀聯合時，在都督的人選問題上雙方沒有能達成一致，為了不妨礙雙方的聯合，隻好將都督一職空缺。文學社、共進會正式聯合後，都督的席位仍然空缺，而是派居正、楊玉如二人赴上海邀請黃興、宋教仁、譚人鳳來湖北主持。可在此時，黃興、宋教仁都沒有到鄂，加之清軍又破壞了起義指揮機構，革命領袖被害，直接領導起義獲得成功的指揮官卻資曆不足，無法擔當統帥全鄂新政權的工作。
起義軍一攻占整個武昌城，蔡濟民、高尚誌、陳磊、李翊東、張振武等人就聚集到諮議局籌商建立新政權的問題。起義者也邀請了以湯化龍為代表的立憲派來參加會議。很顯然，推舉一個合適的人來擔任都督、成立軍政府是當前最需要解決的問題。立憲黨人提出由第二十一混成協統領黎元洪擔任都督，劉賡藻說：“黎元洪就在城內，如果大家認為合適，就該馬上去找他。”革命黨人在自己內部找不出合適的人選，而漢口、漢陽還在清軍手中，當務之急是找一個人領導他們鞏固已取得的勝利，因而大家同意推舉黎元洪為都督以資號召。
黎元洪此時正在黃土坡。就在攻克督署後不久，擔任巡查的馬榮、程正瀛抓住了為黎元洪搬運行李的夥夫，他們從夥夫那裏得知黎元洪藏匿在黃土坡第四十一標第三營管帶謝國超家。吳兆麟立刻命令馬榮、程兆瀛帶人趕到黃土坡去找黎元洪。在謝國超家中，革命者們見到了黎元洪，馬榮等人便將黎元洪擁至楚望台。黎元洪對讓他出任都署之議極力拒絕，馬榮十分惱火，拔出刀來威脅，逼他非革命不可。隨後，眾人又簇擁著黎元洪來到諮議局，剛一進門，就有人大聲喊：“都督到了。”黎元洪這時沒有再吭聲。
下午，經過討論，湯化龍被推舉為會議主席，湯化龍提出向各省發出通電，號召響應武昌起義。在發言中吳兆麟表示公推黎元洪為湖北都督，湯化龍為湖北民政總長，由二人來主持大計，號召天下。黎元洪仍不答應，不肯在布告上簽署自己的名字，李翊東端著長銃逼迫黎元洪，黎元洪仍是沉默不動。李翊東拿起筆寫了一個“黎”字，在場眾人齊聲叫好。
革命黨人推舉黎元洪為都督隻不過是利用黎元洪的聲望來穩定並號召人心，實際上他們並不要黎元洪做什麼實際工作。他們成立了謀略處，這是革命黨人真正的政權機構，謀略處以蔡濟民為首，由鄧玉麟、吳醒漢、張廷輔等15個人組成。謀略處議定以諮議局為軍政府及都府；宣布成立中華民國；改紀元，稱黃帝紀元四千六百零九年；他們用都督黎元洪的名義向全國各省發出通電，宣告政府成立，在軍政府下設立參謀、軍務、政務和外交四個部。