16日晚总攻开始，在革命军炮队猛烈的炮击过后，黄兴即挥军趁夜色冒雨在断琴口登浮桥渡过汉水，向玉带门与硚口发起猛攻。他亲临前线指挥，命王隆中率湘军第一协为右翼，甘兴典率湘军第二协为左翼，炮兵第一标及工程第一营均随同前进，并以熊秉坤率鄂军第五协为预备队。经过经夜苦战，王隆中所率的湘军已迫近居仁门。居仁门一带清守军见革命军攻势凶猛，在天亮后即想撤退，并预备乘火车逃走。冯国璋见前线军队顶不住而求援，即命大批援军赶来，以机枪猛扫王隆中军。王军的后继部队是湖北军，多是未经训练的新兵，一听清军的机枪响就夺路奔逃，这使本来又饥又渴的王军军心动摇，也跟着溃退下来。左翼的甘军见右翼败退，亦争相溃逃，协统甘兴典阻止不住，最后也跟着退了下来。
熊秉坤见势不妙，急率所部敢死队加战，夺回了阵地。但湘军全线溃退后，熊秉坤部即被北洋军围住，只得占领水厂固守。冯国璋得知被围的是熊军后，急调三千人想将熊秉坤活捉。然而熊秉坤在与敌对峙坚守到天黑后，率部排成两排纵队，杀开一条血路突围而出。冯军因官兵密集，开枪则怕误伤自己人，只得眼睁睁地看着熊秉坤率部突围而去。
黄兴闻熊秉坤部被围，急忙亲自率军接应，但冲锋陷敌时伤亡惨重，身边的湘军几乎全亡。在一起作战的萱野长知即强劝黄兴撤退，这时，一清军便衣拿着手枪对准黄兴的侧背，萱野长知见了，急忙用日本话高喊危险。黄兴闻声，迅即拔刀反手将便衣劈成两半。他们两人相互掩护，且战且退，当踏着泥泞撤回汉阳后，天已黑尽。
黄兴在萱野长知伴陪下一回司令部，即下令汉阳各部队彻夜警戒，以防止北洋军进攻。这时，李书城来告：攻龙王庙的一路由于协统杨选青在家举行婚礼，未亲往指挥，这一路在张廷辅等人率领下尚未展开进攻即跟着溃退。而鄂军第三协协统成炳荣奉命从武昌偷渡袭击汉口的一路也未得手。因成炳荣本是一昏聩酒徒，接到总攻汉口的命令时，他过量饮酒，率军出发就带错了方向，很久以后才渡过长江。副协统为表示破釜沉舟的决心，特将登岸的浮动引桥拆去了一段。但偷袭军登上湛家矶未过多久，因成炳荣指挥无方且贪生怕死而被北洋军击退。他们败退至江边后，因浮桥已拆，在登轮争渡时溺毙不少。
黄兴得此报告，愤懑万分，急得差点吐血；后几欲自杀，经左右劝解始止。他见将不用命，致使反攻失败，于是下令着查办杨选青、成炳荣、甘兴典贻误战机事，以肃军纪。
汉阳陷落，援鄂湘军亦撤走
清军见革命军仓皇败退，即于次日向汉阳发起猛攻。危急之中，海军参谋官汤乡茗率起义舰队赶来助战，用火炮击坏清军火车五辆，使清军陷入混乱，革命军见了复又振作起来。吴兆麟见水师舰队前来助阵，即向黄兴建议：“清军从两路攻汉阳，来势凶猛，我军在汉阳宜取守势；联合海军从武昌水陆两路攻汉口，使敌分兵应战，则汉阳之危可解。”黄兴依其计，即通过电话报告黎元洪，黎元洪准予施行，又命成炳荣率军过江偷袭汉口。可是，成炳荣受命后，再次醉酒不醒而未同部队过江，以至过江部队无人指挥，被打得大败而归。成炳荣酒醒后惟恐问罪，便投水自尽，救起后即被解职。在汤乡茗率领下进攻汉口的水师，虽然在开始时极大地牵制了北洋军，但终因炮弹不济，对北洋军亦未构成重大威胁。
袁世凯见冯国璋大举进攻汉阳且志在必得，担心他乘胜攻取武昌，一举剿灭革命军，于自己日后依借变乱逼宫十分不利，故心急如焚。他急忙下了一道电令，任命段祺瑞署理湖广总督，兼办剿抚事宜。
此时正得意洋洋、坐待胜利的冯国璋得知这一电令后，心中极为不快，故想抢在段祺瑞尚未到任前攻取汉阳、武昌，以建勋功。在解除革命军从汉口偷袭的后顾之忧后，冯国璋即挥军向汉阳大举进攻。在优势炮火支援下，北洋军向汉阳节节逼进，令前线湘军抵敌不住。第一协协统王隆中见势不好，即命军队渡江撤至武昌，在两湖书院集合。甘兴典见王军退走，亦率军后撤至鹦鹉洲。
黎元洪闻汉阳前线失利、王隆中部撤至武昌，立派蒋翊武携现金、酒肉前往犒劳，请回前线，但王隆中不允。黎元洪见状，复派谭人凤、李国镛前往劝谕，劝谕时李国镛长跪以求，但王隆中仍不允。黎元洪见战事紧急，便亲往敦促，许以特别酬劳，然而王隆中对他说：“湘军远来助阵，素有善战名声，而月饷仅七元，且饥渴无人照顾。湖北新兵，毫无战绩，临阵溃逃，致使大局崩溃，功败垂成，月饷反而高得多。饷有差等，叫我如何指挥湘军作战？”一席话，说得黎元洪面带愧色。当夜，王隆中、甘兴典率部先后潜回湖南去了。
湘军两协人马一走，汉阳前线防御即成崩溃之势，磨子山、扁担山相继失陷。军政府各部人员见局势已危，纷纷冒死过江至前线杀敌。参谋甘绩熙本在病中，却带病请战渡江上阵，他身披写有“临时督阵指挥官”的白色布带，选壮士一百零八人夜袭磨子山，全歼守敌，将阵地夺回。次日，甘绩熙又在新来汉阳助战的湘军统领刘玉堂的支援下攻占了扁担山。亲临战地采访的《大汉报》主笔胡石奄为其精神感动，特赋诗登之报上予以称赞。但北洋军失去磨子山、扁担山后并不甘心，他们在重炮轰击下再行反攻，很快又将两山夺回。接着，北洋军开始夺取锅底山。率领数十名勇士在锅底山与敌接战的刘振武，冒死向敌反复冲锋。后被北洋军炮火击伤才撤退，过江时因伤痛失足落水，幸被救起。
在磨子山、扁担山、锅底山等阵地被陷时，在汉阳前线其他各战场作战的诸多奋勇军、敢死队员，也都弹尽粮绝，最后在同北洋军短兵相接时全部阵亡。黄兴眼见北洋军四面逼进，恐汉阳不守，急命李书城渡江向黎元洪报告军情，又下令将汉阳兵工厂重要机件和所存械弹运往武昌，以免为敌所用。这时，有参谋急来报告炮队所驻的黑山失守，龟山亦告急，清军大队正在向昭忠祠总司令部迫近，故请黄兴等司令部人员赶紧撤离，但黄兴置之不理。不久，北洋军攻占了龟山，炮弹散落在昭忠祠周围。黄兴见汉阳已无险可守，且立将陷落，哽咽说：“战事一败至此，眼见汉阳即失，败局难挽，三千将士战死沙场，我活着实无面目见同志，惟有一死以谢同胞。”田桐等人见了，亦哭泣相劝，请他从长议计，黄兴乃收泪传令各部撤退，并下令将归元寺不及运走的辎重焚毁。黎元洪闻黄兴愤不欲生，特派人到汉阳接他过江回武昌。
张振武拔刀高叫：有敢再言放弃武昌者斩
革命军撤回武昌后，黎元洪一面电催南方独立各省都督派遣军队携带枪械星夜来鄂援助，一面在军政府召开紧急会议商议对策。
会议时，黄兴戎装草鞋，热水袋犹肩负未卸，即入座陈言战守进退利害。他以悲愤之情报告汉阳失守经过后，即提议道：“北洋军精锐尽在楚地，今又炮击武昌，大有进攻之势。我军势劣，故不必划地死守，可汇合江南义师，乘舰直下乘虚攻取南京，然后再图规复武昌。”
黎元洪听了连忙称赞此不失为上策，但众党人却强烈反对。
孙武首先表示要一战到底，他气愤地说：“武昌是首义之地，我辈决心与城共存亡。况且水师尚在革命军手中，清军一时无法渡江。”
张振武则拔刀起立，高叫道：“有敢再言放弃武昌者斩！”他的举动博得了热烈掌声。
在掌声未息之际，青年党人范腾霄又起身高叫：“武昌可守而不守，又何以进图南京？舍近求远，成败未可必，而士气尽丧。我辈应死守武昌，以待天下响应。”范腾霄话声刚落，掌声即又响起。
黎元洪见群情愤激，决心坚守武昌，最后也表示自己要坚守到底：“众谓武昌为首义之区，动关全局，此言极当。若不战自退，各省势受动摇，虽欲卷土重来，天下谁复与共事？况有长江天堑，据险以守，敌焰虽张，当非旦夕可图。阳夏之役，以我未经训练之师，当彼精悍之众，尚能相持四十余日。今各省纷纷响应，分电乞援，必多劲旅，胜负正未可知。本督仍愿留请黄总司令率军固守，望黄总司令不要谦让。”
然而黄兴见自己的建议遭否决，深感愧疚。他想，当时若从吴兆麟劝阻，固守汉阳，不以新合之众击久练之师，不至如此败绩。然而现在竟成败军之将，在汉已失人望，故他谢绝黎元洪和一些将领的挽留，于当晚在惆怅中离开总督府，与夫人徐宗汉、日本友人萱野长知等数十人渡江至汉口，住入日租界松之屋旅馆，于次日晨乘日轮岳阳丸往上海去了。
袁克定密见英国公使朱尔典，请支持乃父出任总统。
北洋军炮击武昌城，黎元洪潜逃了
清军攻取汉阳的次日，英公使朱尔典即奉袁世凯之意致电驻汉领事葛福，要他私下口头转达袁世凯停战议和的意旨，协助武汉停战。电讯内容透露到武昌后，黎元洪心绪稍安。正好这一天武昌革命军卫队捉到了一名举止奇怪的人，说要见都督黎元洪。卫队以为他是汉奸，准备将他处决。这时有党人认出他是同盟会员朱芾煌，便将他捆押至都督府。朱芾煌见到黎元洪后，即说：“我是奉命来鄂交涉，身上携有汪精卫致武汉同志的秘函。汪精卫现已与袁世凯商妥，武汉两军彼此暂按兵不动，俟袁世凯迫清帝退位，然后选袁为大总统。”黎元洪听了，立刻亲自解开朱芾煌身上的绳索，待之以上宾。经细问，黎元洪得知朱芾煌是袁世凯的大公子袁克定的拜把兄弟，便要他过江去汉口商谈停战之事。