清军在南京城郊驻有张勋的江防营约6000人，王有宏的巡防营约6000人，徐州镇胡令宣部2000人，督署卫队2000人，旗营兵3000人，共约2万人左右，略多于革命军，而且武器装备优于革命军，但军心涣散，战斗力并不强。
江浙联军组成后，即商讨攻城计划。经研究确定，联军主攻方向是紫金山上的天保城，天保城是南京的制高点，拿下它即可居高临下，使整个南京控制在火力范围之内。革命军的另一部进攻雨花台以牵制敌军。具体部署是，主攻分三路进军：镇军担任中路进攻天保城，浙军担任左翼向幕府山进攻，粤军担任右翼沿沪宁铁路向乌龙山进攻，两翼配合中路占领天保城。苏军进攻雨花台，沪军为总预备队，淮军和扬军执行江防警卫任务，海军游弋高资一带江面，掩护陆上进攻。
11月25日，江浙联军向南京发起总攻击。镇军主攻天保城，天保城驻有江防兵一营，旗兵4000人，炮10余门，机枪4挺，兵力不算多。但天保城城堡险峻，屡攻不克，革命军伤亡甚重。在粤军攻下乌龙山后，立即与浙军合力攻幕府山炮台，11月29日拂晓两军联合攻下幕府山炮台。随后粤、浙两军又与镇军围攻天保城，12月1日终于将天保城攻克。在战斗中革命军争先恐后，冲锋陷阵，歼敌1000多名，俘虏敌人数千名，清军巡防营首领王有宏骑马督战，被浙军击毙。在天保城酣战之际，苏军攻克雨花台。至此革命军大获全胜，南京重要据点全部被江浙联军占领，南京城中之敌已是瓮中之鳖，唾手可得。
但顽固的清军首领张勋拒不投降，企图负隅顽抗，于是联军用大炮轰击清军了望台太平门和张勋的指挥部所北极阁，炮声一阵紧过一阵，清军伤亡惨重。这时两江总督张人俊、江宁将军铁良和张勋见南京固守无望，便通过洋人佯装向革命军投降。正在交涉受降事宜之时，乘革命军不备，张人俊、铁良逃到下关乘日本兵舰逃往上海。张勋则率2000人经下关、浦口向徐州逃窜而去。12月2日巡防营统领张联升率清军残部，开城投降，江浙联军胜利进入南京城，全城光复。
南京光复时正是汉口、汉阳相继失守后的第六天。综观革命斗争全局，虽然汉口、汉阳已陷入敌手，但又出现了新的革命中心南京，而且革命力量在整体上又有所增长。江浙联军之所以能攻克南京，主要原因是联军各部能紧密配合，攻天保城便是最好的战例。其次，联军的战略战术也运用得当，主攻天保城，拿下天保城后整个南京便控制在自己手中。但联军没有识破张人俊等人的诈降诡计，致使未能全歼南京守敌。
早在武汉三镇保卫战中，武昌成立战时司令部之后，革命军就准备建立革命军政府。11月7日湖北都督黎元洪便向各省发出通电，要求各省派代表到武汉举行联席会议，成立中央临时政府。与此同时，江浙方面正在策动成立江浙联军攻占南京，新的革命中心正在酝酿形成。11月15日江苏、浙江、湖南、福建等7处的代表在上海集会，准备成立各省都督府代表联合会，大有形成两个革命中心的趋势。后来上海方面考虑到武汉是全国首义地区，起到了一呼百应的作用，于是顾全大局，肯定了武汉的中心地位。11月30日，各省代表在汉口英租界举行了第一次会议，决定中央临时政府成立之前由湖北军政府代行中央军政府职权。接着又通过了《中华民国临时政府组织大纲》，但此时汉口、汉阳已被清军所攻占，武昌危在旦夕，而江浙联军又光复了南京。鉴于局势变化，代表大会又迁往南京举行。
此前，在同盟会中部总部陈其美、宋教仁的策动下，江苏、浙江、上海都督代表曾举行会议，出于对黎元洪的不够信任曾选出黄兴为假定大元帅，黎元洪为副元帅。而黎元洪对此则十分不满，通电取消这一决议，指责选举不符合法定人数，而黄兴也坚辞不就。12月12日，各省代表齐集南京，17日改选黎元洪为大元帅，黄兴为副元帅代行大元帅职权。这时又传来孙中山即将从海外回国的消息，黄兴也就推辞此任，没有组织南京临时政府。
当时只有孙中山可担任革命政府元首的重任，但孙中山长期流亡国外，武昌起义时他正在美国，12月25日孙中山从海外回到上海，12月29日在南京17省代表大会上，孙中山被推举为临时大总统。17省代表多不属同盟会会员，但从所得16票中可以看到全国人民对孙中山和同盟会的信任，及对其在辛亥革命中所起推动作用的肯定。1912年1月1日，孙中山在南京就任临时大总统，并宣告中华民国成立，结束了中国两千年的封建帝制。孙中山在就职典礼上的誓词说：“倾覆满清专制政府，巩固中华民国，图谋民生幸福，此国民之公意，文实遵之，以忠于国，为众服务。至专制政府既倒，国内无变乱，民国卓立于世界，为列邦公认，斯时文当解临时大总统之职。谨以此誓于国民。”1月3日又选出黎元洪为副总理，各部总长如下：陆军，黄兴；海军，黄锺瑛；外交，王宠惠；内务，程德全，财政，陈锦涛；司法，伍廷芳；教育，蔡元培；实业，张謇；交通，汤寿潜。总统府秘书长为胡汉民，参谋总长由黄兴兼任。这是一个以资产阶级为主体的政权，革命党人占主要地位。
南京政府成立后，采取了一些从未有过的革新措施，如改用公历，以临时大总统就任的日子作为民国建元的开始，国人限期剪去发辫，禁止妇女缠足，废止跪拜等，移风易俗，使国人耳目一新，确实感到了新社会的到来。孙中山就任大总统后，总统府设在前清两江总督衙门，即太平天国天王府。孙中山曾以洪秀全第二自诩，但他生活简朴，平易近人。扬州有位80多岁的老盐商专程到南京瞻仰大总统，不但被接见，而且得以叙话。老人一见面就跪下，要行三跪九叩大礼，孙中山连忙将老人拉起，请他坐下，并说：“总统在职一天，就是国民的公仆，是为全国人民服务的。”老人问：“总统若是离职后呢？”孙中山说：“总统离职以后，又回到人民的队伍里去，和老百姓一样。”而后老人见人就说：“今天我总算见到民主了。”此事传为佳话。
1912年3月11日公布了《中华民国约法》，总纲规定：“中华民国，由中华人民组织之”，“中华民国之主权，属于国民全体”，这就有史以来第一次以法律形式确定了中国人民的自主权。
袁世凯篡夺革命果实
南京临时政府成立时，清帝尚未退位，为此陆军总长黄兴等人制订了北伐方案，准备出兵六路，一举推翻清政府，消灭残余势力。举国上下，各地军民积极响应，一时革命情绪空前高涨。
与此同时，掌握清政府军政大权的袁世凯得到帝国主义的支持，帝国主义企图以在中国“换马”的政策，使袁世凯成为帝国主义的新代理人，通过他建立伪政府来继续谋求在华利益。而南京临时政府却面临着巨大的困难，尤其是难以克服的财政匮乏。许多部队急需军饷而无处筹措，黄兴曾为此四处奔波，废寝忘食，以致累得吐血。在这种情况下，混入革命阵营中的立宪派和旧官僚便积极活动起来，暗中勾结袁世凯，并不断对孙中山施加压力，急于谋求南北议和，甚至行人提出“革命军兴，革命党消”的观点，认为革命政党已经完成任务，没有存在的必要了，这就使革命失去了正确的方向。