戊戌變法以後，因日本友好人士的活動，孫中山與康有為、梁啟超為代表的改良派曾商談過合作問題，但因改良派堅持保皇、反對革命，合作未能實現。1904年孫中山在日本、檀香山、越南、暹羅(今泰國)、美國等地對華僑及留學生宣傳革命，1905年在比、德、法等國的留學生中建立了革命團體，在此期間也與國內的革命團體和革命誌士建立了聯係。
1905年8月，孫中山與黃興等人，以興中會、華興會等革命團體為基礎，在日本東京創建全國性的資產階級革命黨同盟會，孫中山被推舉為總理，他所提出的“驅除韃虜，恢複中華，創立民國，平均地權”的革命宗旨被采納為同盟會綱領。在同盟會機關報《民報》發刊詞中，孫中山首次提出民族、民權、民生三大主義。同盟會的成立，有力地促進了全國革命運動的發展。
他派人到國內外各地發展組織、宣傳革命。他自己也在1905—1906年間赴東南亞各地向華僑宣傳和募集革命經費，在一些地方創立同盟會的支部。他廣泛傳播資產階級民主共和思想，使更多的人投身於反清革命。孫中山成為中國革命民主派的旗幟。他領導的對改良派的批判，為辛亥革命的爆發作了有力的思想準備。從1906—1911年，同盟會在華南各地組織多次武裝起義，孫中山為起義製定戰略方針，並在海外奔走，為起義籌募經費。1907年12月鎮南關起義時還親臨前線參加戰鬥。各次起義都因缺乏群眾基礎、組織不夠嚴密而失敗，但革命黨人前仆後繼，英勇戰鬥，給清政府以沉重打擊，給全國人民以極大的鼓舞；特別是1911年4月27日的廣州黃花崗之役，在全國引起了巨大震動。
1924年孫中山在天津張園留影，
這是他留給世人的最後影像1911年（辛亥年）10月10日，武昌起義爆發，革命軍占領了武漢三鎮。自此以後，各省紛紛響應，支持革命運動。為全國人民深惡痛絕的清廷終於最後被趕下台去，兩千年封建專製政體至此告終。
起義軍占領武漢之後，孫中山立即回國，當選為首任大總統。但他任職時間很短，因為真正的權力落在以袁世凱為首的軍人手中。袁世凱是一個大軍閥、大官僚，直到清廷退位他一直是清朝的奴才。在保守分子和帝國主義的支持下，袁世凱迫使孫中山辭職，由袁繼任。
袁世凱利用總統職權建立起軍事獨裁，後來居然還想當皇帝。孫中山領導的國民黨（它的前身即同盟會）被宣布為非法，國會被解散，許多袁的政敵被暗殺。1913年，袁派兵南下，進攻那些在辛亥革命中崛起的軍隊。孫中山想使這些軍隊堅持抵抗，但他們都因勢單力薄而告失敗。孫中山不得已之下隻好和許多同誌避居日本。
1914年，孫中山在日本建立中華革命黨。這個新黨是從國民黨分裂出來的。通過這個新黨，孫中山在1914年和1916年兩次在上海發動武裝起義，第二次是他秘密回國親自領導的。在他的影響下，在上海的海軍部隊發動了另一次革命起義。正在這時，袁世凱猝斃，其他軍閥紛起爭奪他的權位。
1917年，孫中山率領起義的海軍艦隻由上海去廣州。他同南方軍閥結成聯盟，並建立了一個反對北方軍閥的政府。被袁世凱宣布解散的國會重新召開，選舉孫中山為廣州護法政府的大總統。之後，孫中山立即籌劃和準備北伐。1921年，北伐軍自湘桂出動。1922年，南方軍閥陳炯明勾結北方軍閥進行叛變，使北伐軍的後方受到威脅。1924年，受英國彙豐銀行津貼、由買辦陳廉伯率領的雇傭軍廣州“商團”反對廣州政府。孫中山領導革命軍隊打敗了敵軍。