10月11日上午武昌全城光复，革命军准备建立湖北革命军政府，推举都督时，认为吴兆麟也不足以号召天下了，出于等级观念，只希望有一位资深的人来组织政府。找来找去也未能找到一位合适人选。这时立宪派的谘议局议员和新军旧军官们就推出黎元洪来，竟得到了多数人的同意，并推举立宪派头目汤化龙为政事部长。新的革命政权就这样落入了反革命势力的手中。即便如此，黎元洪起初还不敢出任都督，待把他捉出来，告之由他任都督并组织革命军政府时，他吓得脸色惨白，张皇失措，颤颤巍巍地说：“莫害我，莫害我！”这时在他身边的革命党人李翊东用枪逼着黎元洪，说：“你做满清这大的官，应该杀的。我们今天不杀你，反举你做都督，你还不干。”声称要把他杀了，被众人阻止。于是李翊东又说：“不管他承认不承认，把告示用都督黎的名衔张贴出去就是了。”随后就将革命军政府的告示贴了出去，告示上的“黎”字还是由李翊东代写的。可是没有想到这告示一贴出去，竟在民众中引起轰动，人们惊异地说：“想不到黎协统也是革命党。”似乎又壮大了革命声势。
武昌光复的当天，汉口和汉阳也随即光复，汉口和汉阳的驻军是新军第四十二标的两个营，文学社在该军中起主导作用，因此武昌义旗一举，汉口与汉阳立即响应并顺利占领全城。汉阳建有全国最大的兵工厂，汉口商业繁华，汉口与汉阳的光复，遂使武汉三镇这一革命中心成鼎足之势，极为有利。
全国掀起革命高潮
武汉三镇起义成功的消息迅速传遍全国各地，震动了举国上下。10月13日上海的《民立报》发表了于右任的短论说：“秋风起兮马肥，兵刃接兮血飞，蜀鹃啼血兮鬼哭神愁，黄鹤楼兮忽竖革命旗！”“噫！革命党者，万恶政府下之产儿，故有倒行逆施之政府，欲求天下不乱而不得。”第二天该报又刊出了黎元洪小照和小史，一时武汉三镇为全国所瞩目。
而后，在短短的9天里，湖南、陕西、江西、山西、云南五省相继宣布拥护革命党，实行独立。10月22日，共进会焦达峰、陈作新率会党及新军攻入湖南长沙，建立都督府，焦达峰任都督，陈作新任副都督，随即调集部分军队北上支援武昌。同日，陕西革命党人和新军起义，推举新军管带张凤翙为全陕复汉军大统领。10月23日新军标统马毓宝在革命党人的压力下于江西九江宣布独立。10月29日山西革命党人率军起义，推举新军协统阎锡山为都督。10月31日云南宣布独立，新军协统蔡锷任都督。11月1日江西南昌光复，新军协统吴介璋任都督。这样再加上湖北、四川，整个中国腹地连成一片，成为革命势力范围，从根本上打击和动摇了清政府的封建统治，清政府在全国的统治已处于风雨飘摇之中了。
紧接着革命党人又给了清政府第二次致命打击。11月上旬以上海为中心的东南各省也先后宣布独立。11月3日，同盟会在上海发动起义，同盟会中部总部负责人陈其美率领一支由会党成员组成的敢死队进攻兵工厂“江南制造局”，先由陈其美只身进入江南制造局进行说服工作，结果被扣留。第二天凌晨，上海商团总司令李英石率领商团1000多人攻克江南制造局，救出陈其美。11月6日上海宣布独立。而后革命党人赶赴江苏省会苏州，向驻苏州新军第三十三协策动兵变，11月5日驻苏州新军起义，一律臂缠白巾，排队到抚衙迫请江苏巡抚程德全反正。程德全见大势已去，只得表示同意站到起义军方面来，宣布苏州独立。程德全任江苏都督，并将苏州巡抚部院改称为中华民国都督府。这是武昌起义后第一位清政府命官宣布独立并自任都督的，影响不小。江苏谘议局议长张謇本是立宪派领袖人物，革命形势使他比较清醒地认识到，革命已势不可当，于是立即表示支持革命，此举影响更大，它使一大批立宪派人物倾向于革命，转到革命阵营中来，清政府愈发孤立了。
11月4日贵州光复，新军教练官杨荩诚任都督。11月5日浙江光复会发动起义，推举汤寿潜为都督，宣布独立。同日，安徽宣布独立，孙毓筠、柏文蔚相继任都督。11月7日广西宣布独立，沈秉堃任都督。11月9日广东宣布独立，胡汉民任都督。11月11日福建独立，新军统制孙道仁任都督。11月13日山东宣布独立，巡抚孙宝琦任都督。11月27日四川赵尔丰也发布《宣示四川地方自治文》，在成都成立独立军政府，由四川谘议局议长蒲殿俊任都督，新军统制朱庆澜任副都督。而后成都巡防营发生兵变，同盟会会员尹昌衡率部分新军平定兵变，杀掉赵尔丰被推举为都督。至此。中国华南的中心和西南的中心都已光复，长江以南清政府的半壁江山，只剩下了南京一座孤城。
武汉三镇保卫战
武汉三镇光复的消息传到北京，清政府惊恐不已，慌忙谕令湖广总督瑞澄和新军第八镇统制张彪革职留任，戴罪立功，并派陆军大臣荫昌亲临武汉前线督剿起义军，同时令萨镇冰率兵舰，程允和率水师进抵武汉配合作战。但北洋六镇（师）原是袁世凯一手训练出来的军阀武装。慈禧和光绪死后，摄政王载沣为削去袁世凯的军权减少威胁，1909年将袁世凯罢黜放归河南老家。但北洋六镇的实权在其爪牙冯国璋、段祺瑞控制之下，所以荫昌指挥不灵。这时载沣不得不重新起用袁世凯，授袁世凯为湖广总督，前往湖北督办剿杀起义军事宜，段祺瑞和冯国璋也亲临前线。
当时敌我双方的兵力对比是，敌方共三个军：陆军第四镇和混成第三协、混成第十一协编为第一军，陆军第五镇和混成第五协、混成第三十九协编为第二军，禁卫军、陆军第一镇编为第三军。共约3万多人。除第三军留守京畿外，其他两军都调往武汉前线，并有海军巡洋舰、炮舰、鱼雷艇等15艘靠近武汉江面。我方：原武汉新军大部分已归属革命政府，只有辎重第八营等少数营队被瑞澄、张彪带走。但武汉新军在起义中死伤甚多，已不过几千人。为加强革命武装，湖北革命军政府一方面继续改编归顺的新军，另一方面在武汉附近招募新兵，不到一星期就征兵达3万多人，其中大多数是工人、农民和青年学生，编成步兵4协，担任武汉各区防卫任务。第一区由统领吴兆麟率步兵第一协防守汉阳，第二区由统领何锡蕃率步兵第二协防守汉口，第三区由统领成炳荣率第三协防守武胜门外两望山至青山一带，第四区由统领张廷辅率第四协防守武昌。不久，根据战事需要又扩建了步兵4协，这样湖北革命军共有8协，具有一定的战站斗力。
清政府认为，武汉三镇是首先在全国燃起战火的地方，剿杀革命军应集中全力于武汉三镇，根据地义旗一举，烈火燃遍全国，城池一拔，则革命烟消云散，所以要拼出老本拿下武汉三镇。革命军政府则认为，武汉三镇是全国革命首先取得成功的地方，是革命的中心和旗帜，自然要全力以赴，浴血奋战保卫胜利果实。当时响应起义的各省也派兵前往支援，还有不少工人和学生自发前往参军参战，革命气氛昂扬空前，一场革命与反革命的激战在即。清军首攻汉口，武汉三镇保卫战也就从这里开始。10月15日清军先头部队开赴武胜关一带，向离汉口二十里的前沿刘家庙逼近。当时清军第八镇统制张彪只带辎重第八营残部逃至刘家庙固守，汉口革命军为扼制清军南下，准备先行打下刘家庙。于是10月18日革命军在第二协协统何锡蕃的指挥下向刘家庙发起进攻，张彪所率清军利用堑壕负隅顽抗。在激战中，南下清军用火车载来步兵一标、炮兵一队增援，这时埋伏在铁路两旁的革命军见敌人火车进入埋伏圈，突然开火，冲杀过去，并将一段铁路炸毁，使清军列车车头脱轨，车厢倾倒于路外，清军纷纷从车厢里钻出抱头鼠窜，革命军枪炮声、喊杀声震耳欲聋，清军死伤惨重，被消灭400多人，杀伤无数，尸体枪械，一片狼藉。堑壕中的清军见援军惨败，便逃至刘家庙以北滠口一带。列车中的枪械、粮食等军需品尽被革命军截获，革命军在欢呼声中占领刘家庙。
在清军溃败之际，如革命军乘胜追击，必定会势如破竹扩大战果，但革命军汉口前线总指挥何锡蕃缺乏战略眼光，对形势估计不足，在迟疑不决之中敌人喘息已定，占据有利地形，在要隘之处架起机枪死守。这时革命军战士一再请求，组成了敢死队发起冲锋，但屡攻不克，损失惨重。在奋力指挥中何锡蕃手臂受伤，10月19日革命军政府任命张景良为汉口前线总指挥。
清军固守于三道桥北端，并陆续向祁家湾、滠口等地派出增援部队，企图反扑。这时革命军政府曾令张景良率军进攻滠口，但张景良按兵不动，故意拖延，致使贻误战机。10月22日革命军进攻三道桥北失利，退驻三道桥南。清军则分兵三路反攻，一路沿铁路主攻刘家庙，一路由府河、新沟出蔡甸攻汉阳，一路由阳逻渡青山下游，逼武昌。10月26日在阳逻江面的清海军偷渡谌家矶，向革命军阵地发起猛攻。因革命军对清军偷渡袭击缺乏准备，致使伤亡巨大，阵亡500多人。与此同时，滠口也与之呼应，趁势攻过三道桥，水陆夹攻刘家庙，经过反复拉锯战，最后刘家庙失守，革命军退至汉口市区。
这时同盟会领导人黄兴自香港绕道上海，10月28日化装来到武汉，在汉口满春荣园设立了总司令部，亲临前线指挥作战。黄兴的到来使在鏖战中的武汉军民受到很大鼓舞，革命军骑马高擎“黄兴到”的大旗，遍游武汉三镇，稳定了军心，震慑了敌人。但此时汉口革命军仅有5000人左右，在清军的猛烈攻击下局势危急。这时黎元洪在汉阳请黄兴从速渡江商议防务，实际上是意欲放弃汉口。11月1日革命军奉命放弃汉口，退守汉阳。在汉口保卫战中张景良贻误战机是导致失败的重要原因，原来张景良本是混入革命军的黎元洪的嫡系，清军大举南下时，他便意欲叛变革命，在刘家庙一战中他不仅贻误战机，而且充当敌人内奸，后来革命军发现了他通敌的破绽，终于将他枪毙正法。
清军攻占汉口后，随即全力进攻汉阳。当时清军总兵力为3万人，70门炮，40挺机枪。革命军退守汉阳后仍有1万多人。加上湖南来援的革命军，共2万多人，而且江面舰只也掌握在革命军手中，形成对峙局面。黄兴由汉口到武昌，当时革命党人酝酿推举黄兴为湖北湖南大都督领导革命军，而新军中靠近黎元洪的人则主张仍由黎元洪任都督，由黎任命黄兴为战时总司令。后一种意见占了上风，11月4日黄兴被任命为战时总司令，李书诚任参谋长。
黄兴任战时总司令后曾于11月16日组织一次偷袭汉口的战斗，但由于组织不够严密，被清军侦察到行动路线而有所准备，致使偷袭失败。10月21日清军分兵两路向汉阳发起攻击，一路从孝感绕道蔡甸渡汉水逼近汉阳，一路从舵落、琴断口架设浮桥渡汉水逼近美娘山、仙女山，形成两翼包围态势。革命军则在汉阳周围的美娘山、扁担山、磨盘山等重要据点坚守，多次打退清军进攻，清军则反复冲击，重要据点几经易手，11月27日汉阳终于失守。黄兴在汉阳失守后回到上海，黎元洪本想放弃武昌投降清军，但遭到革命党人的坚决反对，于是任蒋翊武为战时总司令，据长江之险以御敌。
武汉三镇保卫战自10月中旬到11月下旬，坚持40余日，从革命全局来看，吸引了清军的主力部队，为全国革命形势的发展创造了条件，大大鼓舞了全国人民；但从武汉局部来看，它失败了，全国首义的根据地被敌人所攻占。推究失败的原因，一是缺乏掌握革命政权的根本观念，一开始就被妥协派窃取了军政大权，黎元洪被推上政治舞台显然是革命军的重大失误。二是在战略战术上缺乏经验，尤其是没有发动群众机动灵活地打击敌人，一味据守，结果使清军得以发挥军事上的优势。三是袁世凯投靠帝国主义，使清军得到一定军事物资的支持而革命军武器装备则远不如清军。
南京临时革命政府
南京滨临长江，是水路与陆路交通汇合处，北据长江之险，南扼东南各省之咽喉，历来是兵家必争之地。武昌起义之前，南京驻有新军第九镇，由徐绍桢统领。并有旧军的江北防营和江宁巡防队等，由江南提督张勋统领。新军第九镇的许多官兵曾受革命党人的影响而倾向于革命。广州起义中的赵声就曾经是该镇的一位统带（团长），武昌义旗一举，第九镇以统制徐绍桢为首的官兵立即向革命转化。
11月7日新军第九镇就曾响应武昌起义，从驻地秭陵出发进攻南京，但由于子弹配备过少而失败，然后退驻镇江。鉴于南京地理位置十分重要，革命党人认为攻克南京是发展革命的首要任务。于是宋教仁等革命党人在上海召集紧急会议，决议策动组织由江苏、浙江、上海等地革命党人组成江浙联军，推举徐绍桢为总司令，准备再次进攻南京。并在镇江建立江浙联军司令部，总兵站设在上海。随后电请光复各省派兵增援，先后到达镇江的援军有：洪承点所率沪军1000人，黎天才所率粤军600人，刘之洁所率苏军3000人，朱瑞所率浙军3000人，再加上林述庆、柏文蔚所率镇军（新军原驻镇江部）等，共14000多人。