1911年4月27日下午5時30分，黃興帶領“先鋒”120餘人，臂纏白巾，手執槍械炸彈，吹響海螺，直撲督署。督署衛兵進行頑抗，革命軍槍彈齊發，擊斃衛隊管帶，衝入督署。兩廣總督張鳴岐逃往水師提督衙門。隨後，黃興將所部分為三路：川、閩及南洋黨人攻督練公所；徐維揚率花縣黨人40人攻小北門；黃興自率方聲洞、朱執信等出南大門，接應防營。
攻督練公所的一路途遇防勇，繞路攻龍王廟。喻培倫胸前掛著滿滿一筐炸彈，左手執號筒，右手拿手槍，奮勇當先，投擲炸彈。戰至半夜，終因眾寡不敵，全身多處受傷，率眾退至高陽裏盟源米店，以米袋作壘，向敵射擊。後因敵放火，他們才被迫突圍，喻培倫被俘遇害。
往小北門的一路也很快遭遇清軍。經過一夜作戰，打死打傷敵人多名。最後，張鳴岐放火燒街，徐維揚率部突圍，被敵逮捕。
黃興所率一部行至雙門底後，與溫帶雄所率計劃進攻水師行合的巡防營相遇。溫部為人城方便，沒有纏帶白巾，方聲洞見無記號，便開槍射擊，溫帶雄應聲倒下。對方立即發槍還擊，方聲洞犧牲。戰至最後，隻剩黃興一人，才避人一家小店改裝出城。4月30日回到香港。
這次起義，除黃興一部及順德會黨按期發難外，其餘各路均未行動。新軍子彈被收，沒有作戰能力；胡毅生、陳炯明事先逃出了廣州城；姚雨平因胡毅生刁難，未能及時領到槍械，起義爆發後藏匿不出。這樣，起義成為黃興一路的孤軍作戰。
起義失敗後，廣州革命誌士潘達微收殮犧牲的革命黨人遺骸72具，葬於廣州郊外的紅花崗，並將紅花崗改為黃花崗，史稱“黃花崗72烈士”。這次起義因而也稱為黃花崗起義。
黃花崗起義集中了同盟會所有的人力、財力，作了長期的準備，但最終還是失敗了。究其原因，主要有如下三個方麵：一是革命黨人沒有建立起適合武裝起義的權威領導機構；二是計劃不周密，起義尚未爆發，消息就已走漏，也未能按原定計劃完成各項準備工作，最後倉促發難，自然難保成功；三是沒有取得廣大人民群眾的支持，起義隻是少數革命黨人的軍事冒險。
但是，無論如何，資產階級革命黨人用生命和鮮血獻身革命的偉大精神卻震動了全國，也震動了世界，從而促進了全國革命高潮的更快到來。