汉阳新军中的党人见武昌光复，兴奋不已，即在胡玉珍的带动下发难响应。11日晚八时许，起义士兵占领了汉阳兵工厂和铁厂，将大炮拖上龟山，在龟山山顶插起十八星旗，设立起义临时指挥部，随即派兵到汉口。
驻汉口的新军第二营闻知武昌、汉阳起义得手，即在代表赵承武等人的率领下在居仁门发难，并与汉阳派来的部队汇合，迅即占领全城。汉口商团这时亦以白布为标记接应义军，商民更是燃放鞭炮以示欢迎。至11月12日清晨，十八星旗亦迎着旭日飘扬在汉口上空。
黎元洪被举为都督后像个泥菩萨
武昌义军虽然一举攻下总督署，但此时军中尚无有威望的统帅。举义之前，本来已推举刘公为都督，刘英为副都督，但武昌光复时刘公在汉口未能渡江过武昌，刘英则远在京山县。起义总指挥蒋翊武避走出城后，众人一时不知他在何处。胡瑛、詹大悲尚在狱中。而在国人中素有威望的同盟会领袖黄兴以及宋教仁、谭人凤此时又尚未到武昌。攻下总督府，众士兵狂欢过后，起义的发动者反倒为难起来。尤其是熊秉坤，他觉得自己和负责起义诸党人都是下层官兵，资历太浅，在军中无威望，难以担重任。但群龙无首，时间一久必生变乱，于是他推举队官、临时总指挥吴兆麟暂为主持。吴兆麟也觉得自己资历不深，连连谦让，要蔡济民筹商主持人，蔡济民便约起义各方面负责人到谘议局会商大计。
11日上午，已激战了一夜的近二十名党人首领陆续赶到了省谘议局会议。蔡济民对众人说：“武昌首义之功，功在诸位同志。目前最要紧的是组织政府，不能这样群龙无首；还必须马上通电全国，呼吁响应；安民告示更非马上发出不可。我们一定要找一个德高望重、为全国所知的人，才能号召天下，免得别人说我们是兵变闹事。”赵振武听了此话，插言说：“我们已经推定了总理和总指挥，怎么办？”蔡济民说：“原来推定的诸人，目下都不在武昌，缓不济急。”于是众人决定派人分头寻找议长汤化龙、副议长张国溶及驻会议员来谘议局会商办法。
议长汤化龙与一些议员被陆续请来后，党人便推举他出任都督。汤化龙的亲家、议员胡瑞霖虑心革命成败尚未可知，从旁代为婉辞说：“目下是军队起来革命，汤议长不便领导，最好在军队中推一有声望的人。”汤化龙见胡瑞霖为自己代辞，担心别人误解，便说：“革命事业，鄙人素表赞成。但此时武昌发难，各省均未知晓，须先通电各省，请一致响应，以助大功告成。此时正是军事时代，兄弟非军人，不知用兵。关于军事，请诸位筹划，兄弟无不尽力帮助。”蔡济民见此，便提议说：“可否推举二十一协统领黎元洪？他军务娴熟，为人厚重，又出过洋，颇有名望，军中职位又数他最高。”议员刘赓藻马上附和说：“此提议甚好。黎协统又是湖北黄陂人，此时尚在城中，如大家愿意找他，我可介绍前往。”众党人听了，均表示赞成。蔡济民即让刘赓藻带他到黄土坡，往黎元洪的参谋刘文吉宅中去问询，但刘家家人告知：“协统本在管带谢国超家，现已去了楚望台。”原来，军代表马荣等率兵一排到处搜寻黎元洪，已在谢宅换上了便衣的黎元洪当时避匿不及，被马荣等人搜到，即被推拥至楚望台去了。蔡、刘等人即赴楚望台，迎黎元洪到谘议局与会，这时会众正在讨论成立军政府事。
黎元洪一到谘议局，众党人就要推举他为军政府鄂军都督，并推举汤化龙为中华民国军政府主席。吴兆麟和蔡济民直言劝说道：“两公深得湖北人望，又为国人所知，出任首要，革命更易成功。”可是黎元洪拒绝不就，说：“此事体重大，务要慎重，我不胜都督之任，请你们另举贤能。”说罢退出会场。张振武见了，说：“黎元洪如此不识抬举，干脆另外找人。”蔡济民却不同意，说：“此刻不过暂时利用黎元洪的名声罢了。”汤化龙等人则建议先将黎元洪安置在楼上议长室，从长议计。
中午，革命党人匆匆吃过午餐后继续会议，这时，党人李翊东仿照东京同盟会预议的文告，写好了一份“中华民国军政府鄂军都督黎布告”，拿来要黎元洪签字。黎元洪被众人拥下楼后，畏缩着不敢接笔，口中说：“莫害我，莫害我！”李翊东见此，即援笔代书一黎字，众人见了，都鼓掌称好，继之分抄多份，将中华民国军政府和鄂军都督黎元洪的安民布告贴出。此布告贴出后，武汉三镇群情激奋，见到者不少人流下了热泪，说汉人从此可扬眉吐气了。
然而黎元洪被推举为都督后，却像个泥菩萨，一连两天不言不语，不吃不喝。蔡济民、张振武、李翊东等人见此状况，便计议组织参谋部，举十五人任参谋。这时，从汉口新出狱的同盟会员胡瑛等人已来与会。胡瑛谈了同盟会的一些规定，说起义是全国性行动，必须按照同盟会规定行事。众人采纳胡瑛的建议，讨论并议定事项十四条，称中国为中华民国；政体为五族共和；规定国旗为五色，以红、黄、蓝、白、黑代表满汉蒙回藏为一家；以十八星为革命军军旗，代表十八行省；以青天白日满地红为海军军旗。同时，会议决定推吴兆麟为革命军总指挥，军政府暂设参谋、军务、政务、外交等四部，并设立招贤馆招引革命人才。
中华民国军政府以黎元洪名义通电全国
待汉口光复并成立汉口军政分府后，中华民国军政府即电告上海，促居正、黄兴、宋教仁来鄂，并要他们转告孙中山，请从速回国主持大计。继之，谋略处又请汤化龙代拟好了几份告全国的通电，请黎元洪签字，但黎元洪仍然拒签。张振武见黎元洪仍不任事，便对众人说：“黎元洪既不赞成革命，所拟通电尚未发出，不如先将他斩首示众。”蔡济民却说不可，劝阻道：“都督名义归他，事情我们来做，以后不让他自由行动就是。”正说间，蒋翊武回来了，众人均感高兴，蔡济民即与蒋翊武商议，以黎元洪名义通电全国，号召全国即时响应起义，蒋翊武表示同意，他把电文接过来阅看，见其上写道：
粤维我祖轩辕，肇开疆土，奄有中夏，经历代圣哲贤豪之缔造，成兹文明古国。凡吾族今日所依止之山河，所被服之礼教，所享受之文物，何一非我先人心血、颈血之所遗留。故睹城邑宫室，则思古人开土殖民之惠；睹干戈戎马，则思古人保种敌忾之勤；睹典章法制，则思古人贻谋教诫之殷。骏誉华声，世世相承，如一家然。何物满奴，敢乱天纪，挽弓介马，竟履神皋。乃其焚毁书籍，改窜册典；兴文字狱，罗织无辜；秽词妖言，尊曰圣谕；戴仇养贼，谬曰正经。务使人人数典而忘其祖，是其害乃中于人心风俗，不但诛杀已也。彼以其利害相反，不惜倒行逆施，故开知识，则为破其法律；尚武技，则为扰其治安；于是百术欺愚，一意压制，假立宪之美名，行中央集权之实；借举新政之虚说，以为搜刮聚敛之端，而乃日修园陵、治宫寝、赉嬖妾、赏民贼，何一非吾民之膏血？饥民遍野，呼吁弗灵，哀鸿嗷嗷，是谁夺其生产而置之死地？
又日矜其“宁送友邦，勿与华族”之谬见，今日献一地，明日割一城，今日卖矿，明日卖路。吾民或争持，则曰干预政权；曰格杀勿论。甚且举吾自办之路，自集之款，一网而归之官。夫政府本以保民，而反得其害，则奚用其政府为？况乃淫德丑类，有沾华声者也！深望十八行省父老兄弟，戮力共进，相与同仇，还我邦基，雪我国耻，永久建立共和政体，与世界列强并峙于太平洋之上。
蒋翊武阅毕通电后，连连说写得好。蔡济民告诉他说：“这里还有另外拟好的四份电告。一是电告清军中的汉族将士，劝其幡然投归革命，不可徘徊；二是宣布清廷八大罪状：奴役汉人，搜刮汉人，残杀汉人，焚毁书籍八千余种，大兴文字狱，严刑苛虐汉人，以乱伦祸害中原文化，强迫剃发留辫；三是致清廷电，令其投降，不可顽抗；四是电告海内人士，号召海内英雄从速响应。”蒋翊武这时问刘公：“各国驻汉口领事态度如何？军政府还须尽快发出照会，以免列强干涉。”蔡济民听了说：“致汉口各国领事照会也已拟好，其要义是：表示清廷以前与各国签订的所有条约及债务，军政府照旧承担；但凡军政府成立后外国与清廷订立的一切条约及债务，均不承认；保护外人生命财产安全；各国应严守中立，不得支持清政权。”蒋翊武感慨地对蔡济民说：“一夜之间，政权翻覆，谋略处可谓武略文韬，功绩显著。”
蔡济民将四份通电和一份照会发出后，军政府即开始推举参谋、军务、政务、外交四部的正副部长。经推举确定，参谋部以张景良为部长，吴兆麟等副之；军务部以孙武为部长，蒋翊武、张振武等副之；政务部以汤化龙为部长，张知本副之；外交部以胡瑛为部长，王正廷副之。各部部长人选推定后，参谋部和军务部即着手统编军队，决定成立革命军五协，又任命了各协协统：吴兆麟为第一协协统；杜锡钧为第二协协统；陈炳荣为第三协协统；张廷辅为第四协协统；熊秉坤为第五协协统。统编军队后，军务部部长孙武又规定，凡在事官兵人等，左臂悉缚以二三寸宽之白布，上写兴汉灭满四字，并揭示其机关职衔，以资识别。
剪掉发辫，革命了
这时，副部长蒋翊武也向各部部长提议：以军政府名义号召全体官兵剪发，以表示与满清决裂。他提议过后，即带头剪掉了救过自己性命的辫子。蒋翊武的这一提议和举动博得大家的一致赞同，于是军政府的任事员一个个剪去了发辫。革命党人剪掉发辫后，立即倡议武汉三镇市民全都剪发。倡议发出后，各城门通衢都有人强劝人剪发，谓无论何色人，皆须剪掉发辫，否决就是甘为满奴。过往市民见了，纷纷上前，请持剪刀者为自己剪去发辫。
蒋翊武见众党人都剪掉了发辫，特地邀蔡济民与自己一起上楼劝请黎元洪剪去发辫，以迫使他出任都督。上楼后，蔡济民恭恭敬敬地对黎元洪说：“请都督剪掉发辫，好走马上任。”黎元洪不明二人的意图，害怕党人主张“留发不留头”，借机杀掉自己，便连忙表示愿意将发辫剪掉。蒋、蔡二人见黎元洪同意剪发，立刻叫人请剃头匠来将黎元洪的发辫剪掉，并剃了个光头。黎元洪剃头后，蔡济民抚摸着他的头开玩笑说：“都督好象个罗汉。”黎元洪对着镜子照了照，见自己头上根发不留，苦笑着说：“有点似弥勒佛。”众人听了大笑，说都督革命了，于是挂起鞭炮燃放，以示庆贺。
众人燃鞭炮庆贺之际，胡瑛前来相告：军政府外交人员至汉口送达照会后，各国领事均感安心，纷纷电告其驻北京公使，表示在此事变中不加干涉。蔡济民等人听了，心中顿时一轻。原来湖广总督瑞瀓逃离武昌后，即从舰上派员到汉口请各国领事援助，声言革命党举义是义和团复起，要洋人炮击民军。德国领事冯特不知真情，准备答应瑞瀓的请求。
10月11日各国领事团会商时，冯特率先提出要炮击义军，采取干涉政策，不使蔓延以致难于收拾。众领事听他说明缘由后都打算采纳他的意见，以防义和团在华中地区再起，威胁自己的生存。然而，法国领事罗菲却坚决反对。罗菲在巴黎时就曾与孙中山相识，并与之友好，算是旧交，他深知孙中山所倡革命的内容。正好当天刘公草拟了一份布告，署名为中华民国军政府大总统孙中山。罗菲得到这份布告后，便带在身边。当冯特力主炮轰武昌的义和团时，罗菲即驳斥说：“此言不确，我方才得到报告，武昌已建立中华民国军政府，并布告大总统为孙中山。孙中山是我的老朋友。此人所言，主张共和政体，甚有规模，怎能当义和团对待？”冯特不相信，罗菲便出示布告，并引证孙中山往日的言行，劝解说：“孙中山的革命党，是以改良政治为目的，决非无意识之暴动，不能与义和团一例看待，横加干涉。”英领事葛福、俄领事敖康夫及美国等国领事听了罗菲的解释，都主张不加干涉而守中立。瑞瀓见洋人不与相助，只得乘舰偷偷逃往上海。但冯特事后还有些不放心，及汉口光复后，见革命军果然举止文明，秋毫无犯，备至保护各国侨民生命财产，侨民和各国领事颇具好感，才知武昌革命军与义和团有根本区别。
革命军祭天誓师
汤化龙、胡瑞霖等见武汉三镇业已光复，革命已成气象；而名为鄂军都督的黎元洪却处于被看守地位，革命党人则在背后操纵军政府实权，便再三前往劝说请他出任都督。
最后一次劝说时，黎元洪心有所动，勉强同意。他对汤化龙说：“也好，我既被党人推为都督，谅日后亦无法推脱背叛朝廷的罪责，不如索性将都督大权掌握起来。况现在身为军政府都督，竟还受手下人的轻侮，并无半点权威，更有失体面。”
汤化龙忙问党人如何轻侮了他，黎元洪生气地说：“昨日公将起草好的《中华民国军政府暂行条例》交我过目，我读罢对条例连声称妙。不意你走后，看守我的党人以为我与公暗通信息，竟将条例拿走扔进字纸篓，我实感耻辱。”
汤化龙听了，转身看了看门外，见无人监视，便附在黎元洪耳边密语，告之党人张振武等对他的态度，警示他若再不出任都督将有性命之虞，为党人所杀。黎元洪听了大惊，即决定马上出任都督，并请汤化龙相助，说：“我以武人不习民事，革命又起仓卒，其中多非我所素识。公等该乡中优秀分子，若要我做都督，务望出而相助，可有为我树立权威的良策？”
汤化龙听了大喜过望，即献计说：“黎公若出山，务使党人举行祭天大典，以昭倚重。”
黎元洪当即表示同意。
于是汤化龙便邀人一起向军政府各部要人游说：“武昌起义乃汤武革命，应顺天应人，没有隆重仪式，何以昭示光复大义？故应设坛祭天，并祀列祖列宗，由黎协统主祭，这样他任都督就有权威。”蔡济民等人听了，觉得只要黎元洪能真心出任都督，此议可行。这时，同盟会员居正与谭人凤从上海赶来武昌，听了汤化龙的主张亦表同意。居正说：“主帅徒拥虚名，无以整肃三军。设坛场，具礼仪，请都督誓师，明白宣布，愿负复兴讨虏之责，使其与满清决绝，而安心为国谋，此实为良策。”于是谋略处便差人组织祭天之事，并请汤化龙劝说黎元洪主祭。汤化龙却因居正新从上海来，在湖北革命党人中极有人望，便要居正出面去劝说。而当居正去劝说黎元洪请他主持祭天时，黎元洪爽快地一口应承下来。
10月17日，军政府在阅马厂筑坛祭天誓师，由都督黎元洪主祭。只见坛前燎火熊熊，坛上设轩辕黄帝灵位，灵前设香案，陈玄酒，两侧高悬十八星旗，鼓乐声中，黎元洪由汤化龙和胡霖瑞引导行礼，由谭人凤授旗授剑。授旗、剑仪式过后，众请居正演说革命意义。居正演说完毕后，都督黎元洪接着跪读祝文，当众人听他读到“元洪投袂而起，以承天庥，以数十年群力群策呼号流血所不得者，得于一日，此岂人力所能及哉”等语时，皆击节欢呼。祝文读毕后，读祝官即宣读誓师词，黎元洪率众人一起跟着宣誓。宣誓毕，三军举枪，三呼万岁。最后，军政府主席汤化龙宣读祭天地及列祖列宗文，气氛庄严肃穆。
黎元洪主持祭天大典后，革命军士气大振。为了取得广大民众的拥护，军政府又颁布了一系列政策、法令，以安定社会秩序，整顿财政，稳定金融、保护工商业；同时废除苛捐杂税，实行低薪制，改革司法制度，革除社会陋习。军政府的这些改革，使武汉三镇市民心悦诚服，拥护革命的热情空前高涨。