就在黄兴被黎元洪拜为战时总司令的同一天，主持中部同盟会的陈其美发动巡警和商团在上海举行了起义。陈其美是浙江归安人，生性豪爽，他在日本加入同盟会归国后就一直在上海从事反清活动，同江浙一带的会党及沪上商绅多有结交。武昌首义，令他兴奋不已。当黄兴与宋教仁、谭人凤等中部同盟会负责同志赴鄂后，他就在上海策划起义之事。汉口失陷的前一天，陈其美即约绅商沈缦云及刚刚从武昌返回的宋教仁等人在马霍路德福里自家住宅中开会，商讨起义发动之事，决议联络商团、勾通士绅，联络军警共同举事，并利用《民立报》宣传革命消息以激励民气。会后，陈其美让沈缦云去联络他的好友、商团联合会会长李平书，让宋教仁去联络光复会首领李燮和。当沈缦云见到李平书，告知中部同盟会拟发动起义、请求自治公所响应之意后，李平书欣喜不已，即对沈缦云说：“武汉战事危急，此时非东南急起响应，无以救危。”于是，二人马上约请上海自治公所议长沈恩孚、副议长吴馨等人密商，要求武装商团必要时参加起义。沈恩孚、吴馨等人数年来力主地方自治，屡屡向清廷苦争，但所得的管理民政权、治安权及公用事业的权力无几，早就不满于清廷的统治，听到中部同盟会要起事反抗清廷，便立刻表示赞同。
宋教仁去见李燮和时，李燮和也正在策划光复会起事。宋、李二人都是湖南人，既是同乡，又是旧交，且都是华兴会和同盟会成员，感情上很接近。李燮和是在武昌起义前夕从南洋赶赴上海主持光复会工作的，他先在上海加入光复会，再在日本加入同盟会。故当光复会首领陶成章到南洋筹款无着、无端攻击孙中山时，他曾表示支持陶成章并与之一起活动。宋教仁当年在华兴会与兴中会合作同组同盟会时曾持反对态度，后又对孙中山有些成见，故当李燮和领导光复会独立活动时他很是支持。
见面后，宋教仁即说：“中部同盟会想乘武昌起义、清军主力开往湖北之机立即起事，英士昨晚与我相商，要我与兄联络，相约携手举事，不知兄准备得如何了？”
李燮和说：“我自至沪后，就在赶紧做新军的反正工作。前些时候，我就同邀陈其美和绅商李平书亲往军营串联游说，沪军营、制造局、炮台营中，官兵多为湖南藉同乡。几经游说后，官兵大多响应。吴淞炮台总台官姜国梁、巡防统领梁敦焯、济军统领黎天才、水师舰长林建章等都表示不反对起义。但至制造局游说时，总办张士珩顽固不化，口口声声言自己至死也要报效朝廷。看来，需要动武的地方就是制造局了。”
宋教仁说：“众多官兵响应起义，个把制造局的总办不同意无碍大局。问题是起义得手后如何组织政权。”
李燮和听他这么说，也对起义成功后的情况表示担心：“陈英士、李平书等都是沪浙人，你我都是湖南人，就怕事成之日他们有地域观念，排斥我们。”
宋教仁则说：“暂且不去管它，量他们不致如此心襟狭窄。”
说罢，他又问了一些具体事情，就回去向陈其美报告情况去了。
沈缦云、李平书与商团联合会和自治公所负责人议决参加起义后，也一同来见陈其美，以确定起义时间。
陈其美鉴于起义准备工作基本就绪，提出将发动计划提前进行：“沪上起义，较武汉为易。现军民商学，悉数响应。不同意者，只有江南制造局总办张士珩一人。拿下制造局，上海起义就告成功。我看最迟在明日，也就是11月3日就要发难。诸位看如何？”
李平书与沈缦云即表同意，说：“现武汉战局恶化，早发动一天，早挽起义危局一天。”起义日期定好后，他们又马上分头通知各个参予举事的团体。
11月3日下午，闸北巡警中的同志接陈其美的通知后首先发难，占领了上海巡警总局。接着，陈其美召集上海市内商团及举事学生和民众在沪西九亩地开会，誓师起义。誓师结束后，陈其美即率领敢死队和情绪激昂、手里高举青天白日旗和白旗的民众前往高昌庙夺取江南制造局。
到了制造局，天色将晚，心豪胆大的陈其美叫众人停在门口，他只身入内，想劝说张士珩及守卫兵士投降。然而张士珩不但不听，反而命卫兵将陈其美扣押起来。等在局门外的敢死队和民众见陈其美久未出来，便要入内相救。敢死队队长、湖北枝江人张承[木酋]率领敢死队员抢先冲进门内，投掷炸弹，但被守军击退。正相持间，李平书、李燮和召集的部分沪军营、巡警官兵和商团前来增援，并由李燮和指挥连夜发起进攻，双方展开了激战枪战。由于制造局围墙坚固，大门狭窄，一时难以攻下，夏月珊、潘月樵便带领戏剧界商团，绕至制造局侧面施行火攻。夏、潘二人都是武生，他们手抱柴草衣物，纵身飞跃过围墙后，即至侧门点火烧屋。侧门着火后，顿时浓烟滚滚。驻制造局的炮兵见火起，即行反正，架炮轰击局内守军，但张士珩仍令守局官兵顽强抵抗。战至黎明时分，李燮和又调来军警向制造局发起猛攻。张士珩见支持不住，急忙从后墙逃走。众人攻入局内后，把陈其美救了出来。
上海道台刘燕冀及县令田定荣得知陈其美率众起事的消息后，并未布置任何军事措施，只是迫不及待地各携家眷逃到租界躲藏起来。早在武昌起义爆发时，刘燕冀、田定荣知上海局势不稳，军警中的党人及同情革命者居多，无力挽回大局，就已作了逃亡准备。故一听说上海已发生起义，他们就逃之夭夭。上海道台逃走后，陈其美便率众从制造局直奔道台府衙进驻，并向报界宣告上海起义成功。次日，陈其美又令人在街市贴出上海军政府宣言书，言军政府之成败利钝，系江、浙、皖、闽四省人民之生死存亡；并宣布废除境内一切恶税，号召商民共助义师，以将来共奠中华民国共和。宣言书贴出后，陈其美又让李平书以民政总长身份布告安民。与此同时，上海革命军对全市进行切实保护，使市面秩序安定，故除遍街悬挂白旗外，市民生活与平时毫无殊致。
紧接着，陈其美即召集同盟会员商讨正式成立军政府事。为掌握权力，他安排亲信利用帮会势力，召开大会推举军政府都督。推举时，他的亲信哄堂大嚷，说都督非陈其美莫属。这样，他就顺当地当上了军政府都督。陈其美任都督后，接着又与众人推举出了军政府各部部长：黄郛为参谋部长，钮永建为军务部长，伍廷芳为外交部长，李平书为民政部长，沈缦云为财政部长，王一亭为交通部长，毛仲芳为海军部长。军政府各部部长确定后，陈其美又以商会总理周金箴和虞洽卿为军政府顾问，叶惠钧为参谋，自己则兼任都督府司令部长，主持军务。
参与起义的光复会员听说陈其美自立为上海军政府都督，一时大哗。攻打制造局颇有功劳的光复会首领李燮和本想至少可谋取副都督一席，见自己连军政府部长之位都不能得，极感气愤。他觉得陈其美权欲太重，且心胸狭窄，排斥弃己，差点要与之火并。黄宗仰闻讯，苦苦劝阻，并说动洋人巨商哈同捐金三万元接济其军饷，让李燮和率部退驻吴淞。而吴淞巡官黄汉湘在陈其美率众攻打制造局的同一天，就已约炮台守兵和当地绅董宣布易帜，正在着手成立吴淞军政分府。李燮和去后，黄汉湘即推举他为中华民国光复军总司令。李燮和任职后，即宣布不受命于陈其美。
江苏巡抚程德全反正易帜。为表示革命决心，
他剪掉自己的辫子，又将院司各种印信集中毁于抚署大堂。
浙江巡抚未及独立，党人已发动了起义
上海独立的消息传至江苏，早已看穿清王朝行将败亡的江苏巡抚程德全也想乘机应变。武昌起义刚刚发生时，程德全就曾邀请张謇、沈恩孚等工商界士绅至苏州抚署筹商对策，同时加紧戒备，防止境内发生变乱；又通过其僚属与革命党人搭上关系，作为应变之策。上海独立的次日，苏州商务会总理尤先甲等人与张謇相商后，匆忙至抚署谒见程德全，请其易帜保全地方治安，免致生灵涂炭。程德全对他们的进劝表示接受，但总有些犹豫。尤先甲则再三催促，说在此非常时期，当适应时势，以早日宣布独立为上策。
他们正密议间，驻苏州新军马队、步队和辎重队官兵已一律袖缠白布来到巡院，要求程德全反正，出任江苏都督。原来上海一独立，就有五十余名民军赶来苏州，入新军营内号召起义，新军官兵从言，就发动了这次武装请愿。程德全见事已至此，即出来相告：“值此无可如何之际，此举未始不赞成，务必秋毫无犯，勿扰百姓。”众官兵见程德全愿意反正并出任都督，个个鼓掌欢呼。这样，程德全转瞬间就由巡抚变为了都督。
程德全被推为都督后，为表示革命决心，即剪掉自己的辫子，又将院司各种印信集中毁于抚署大堂，同时令人在原抚署的大门口挂上中华民国军政府江苏都督府的旗子。因见江苏是和平光复，毫无革命气象，程德全特令部下用竹竿将大堂上的檐瓦挑去几片，以示破坏与除旧。挑落几片檐瓦后，他即以都督身份推举张謇为民政总长，应德闳为财政部长，伍廷芳为交涉部长，以组成江苏军政府。程德全在苏州率先和平独立后，江苏各府州县的官绅即相率仿效，纷纷树起白旗宣布光复。
浙江巡抚、满人增韫得知上海独立的消息后，则坐立不安。他见杭州城内人心惶惶，自己又无力镇压，便召集官绅筹商应变之策，拟宣布独立以免杀身之祸。然而不及独立告示贴出，浙江的革命党人已发动了起义。
11月4日晚，驻杭州新军八十一标、八十二标和从各地集来的会党，同上海派来的敢死队一起从笕桥、南星桥向省城杭州进发。到达城外后，城内警察营、工兵营中的革命党人立刻打开城门接应，起义军迅即占领了杭州全城，接着分三路会攻抚署。义军攻打刚一开始，抚署卫队士兵就纷纷反正，将卫队管带捆绑活捉。增韫见势不妙，急忙从后院墙洞逃走，亦被起义士兵擒拿。至次日黎明时分，整个杭州城内除驻防将军德济督旗兵据营顽抗外，各处都张起了白旗。德济所率的旗营这时也被团团围住，义军众首领以巡抚增韫名义致函劝降，但德济不听。战至下午，旗营参领贵林自知难敌义军，便逼德济投降。德济见大势已去，提出举汤寿潜为都督和保护旗民生命财产作为条件而投降。
德济投降不久，被革命党人从上海迎回的汤寿潜即已在杭州谘议局以都督身份处理政事。汤寿潜本是浙江谘议局议长，在保路风潮初起之时，因参劾出卖路权的邮传大臣盛宣怀，反对剥夺商办铁路被清廷革职。汤寿潜由是声誉鹊起，得到江浙社会各界的推崇。
然而，刚刚回国的光复会首领陶成章却极力反对汤寿潜出任都督，他急忙去找浙江同盟会员褚辅成相商。褚辅成却对他说：“汤寿潜出任都督是我的主意。我见他不满清廷专制，且为清廷所不容，在举义前就曾商之于副议长陈时夏，请赴沪迎汤回杭州就任都督。”
陶成章则争辩道：“可别忘了，汤寿潜在三前年曾赞同杀害同盟会员秋瑾，这样的人决不可任革命政府都督，我想同盟会也决不会同意。”
褚辅成却仍为汤寿潜辩解：“他当时不过是赞同而已。赞同毕竟只是赞同，并无直接责任。他现已行都督之责，又深得人望，改由他人出任，恐不会为浙人通过。湖南焦都督就职三日，即被推倒，舆论颇多批评，浙省若再演倒督恶剧，国人将视光复义举为争权夺利，有碍革命进行。”
陶成章经褚辅成劝说后，不再持异议，各党人亦纷纷表示以革命为重，不与汤寿潜为难。
两日后，浙江各界代表正式推举汤寿全为都督，褚辅成任政事部长，宣布成立浙江军政府。浙江军政府成立后，即传檄各属反正，使全省迅即光复。
冯国璋欲取汉阳得大赏，
袁世凯却暗中与党人谋和
黄兴将总司令部设立在伯牙台后，副参谋长吴兆麟见离前线太近，便提议移驻晤忠祠。黄兴原以为总司令部设在前线对官兵有鼓励作用，后见北洋军的枪弹能射至院中，便听从吴兆麟的建议，迅即将总司令部移驻晤忠祠。移驻后，黄兴即与司令部人员商议赶紧将部队重新编为六协，确定编制，大势招募新兵。接着他率人登龟山顶观测汉口敌方阵地，又沿汉水防线视察一周，决定用汉阳兵工厂、钢铁厂的铁板和木材沿汉水南岸构筑防御工事。这时，湘军协统王隆中率湖南援鄂军已开赴武昌，黄兴极为高兴，即渡江与黎元洪同往两湖书院检阅，并命王部渡江至汉阳往十里铺一带布防。
这时，沪苏浙士绅领袖在东南光复后，推庄蕴宽为代表至汉阳总司令部见李书城和黄兴，敦请黄兴早日赴上海，组织全国军政统一政府。他说：“我此次来鄂的真意，是请黄先生至上海去。张謇、汤寿潜、赵凤昌等诸公以为，黎都督是武昌起义的革命党人所拥戴出来的，不是真正的革命党领袖。而孙先生还在海外未回，现在只有黄先生是国内唯一的革命领袖，应该担负起领导全国革命的责任，到上海去统率江浙军队攻克南京，在南京组织全国军政府，继续北伐，完成革命事业。”
黄兴对庄蕴宽诚心相邀颇为激动，他致以谢意后，却说：“先生远道来迎，是对仆的看重。前不久有光复会首领李燮和来函，与我商议沪事，我回函嘱其不必远商，请卓裁主持。先生之意我明白，全国军政统一政府是愈早组织愈好，但不必要我担任领导人。我现正担任武汉方面的作战任务，不能离开武汉。此事看以后情形如何再说。”
庄蕴宽见黄兴言恳意切，汉阳战事确实紧张，也就告辞而去。
送走庄蕴宽等客人后，黄兴即又召开军事会议，规定各部队防御地区。会后，他又打电话给各协统，命他们严阵以待。打完电话，他即率司令部人员迅即赴前线逐一视察各防卫阵地。
在黄兴扩军备战、想以汉江为防线坚守汉阳的同时，北洋军第一路军总统冯国璋则正在加紧谋取汉阳。他鉴于海军反正，所有舰只都在革命军手中，便想先攻占汉阳龟山，借其地势以优势炮火控制武汉三镇。在孝感大营召集众将领作战前动员时，冯国璋一再强调：“今日之战，重在汉阳。汉阳之大别诸山，俯瞰武汉，如釜底一丸，下掷则全城瓦碎，不待攻而自破。唯有先取汉阳，为攻心之上策。”众将领听说要攻汉阳，争相表示愿效命疆场，一举破城以立新功。冯国璋见将士效命，心中尤喜，即布署攻城兵力，命新任第六镇统制李纯率部从汉水上游渡河在蔡甸、舵落口一线侧击；命王遇甲率第四镇大部从下游渡河从汉口正面进攻。
就在袁世凯南下督师的同一天，内阁总理大臣奕劻与所有国务大臣一齐奏请辞职。摄政王载沣得到辞呈后立即准请，当日开去奕劻的内阁总理大臣，徐世昌、那桐的协理大臣及其他内阁大臣的职务，并授袁世凯为内阁总理大臣，着其即行来京组阁。