驻扎在中和门内的新军工程第八营营房首先发生士兵哗变。这个营中参加革命的士兵最多，他们以熊秉坤为首，把士兵群众发动了起来。起义的革命党人打响了起义的第一枪，首先夺取营房的弹药，然后一鼓作气，进攻离兵营1000余米的楚望台，这里设有储存枪炮子弹的军械库。驻防楚望台的本营左队士兵由于大多受革命思想的影响，不仅没有抵抗，反而打开大门，踊跃响应。反对革命的军官见势逃走，军械库轻而易举地落入革命士兵之手。有了武器弹药，兵士们喜出望外，信心倍增。此时，起义者已达300多人，八营营代表熊秉坤已经掌握不了局面。兵士们于是推举左队队官(相当于连长)吴兆麟当总指挥。吴兆麟原是湖北革命组织日知会的会员，在军营中素被士兵们拥戴。

    局势紧急，吴兆麟慷慨就任。他部署一部分兵力警戒附近驻扎的与革命为敌的部队，同时，派人联系城内外其他有革命力量的部队。在城外的各标兵士包括陆军测绘学堂的学生在得到起义的消息后，纷纷倒戈前来楚望台响应。特别是炮兵营的兵士们拖来三门大炮进城，大大加强了起义军的力量，使军心大振。

    当天午夜，在楚望台的炮声响起后，武昌新军各标、营中更多的士兵受到鼓舞，投入起义大军。集中起来的各部起义军向湖广总督署进发，计划占领总督署，一举摧毁瑞瀓、铁忠、张彪等人的老巢。起初，由于吴兆麟实际上只能指挥工程兵第八营，对其他各部前来参加的起义军并不熟悉，短时间内聚集起来的起义大军由于缺乏坚强统一的指挥，进攻一度受挫。后来，大家协商统一行动，在总督府附近放火，以火光为标志，先开炮击中总督府，然后人马一齐冲进。总督府内的瑞瀓和铁忠等官员一听到炮响就吓破了胆，赶紧携带家小细软，打破总督府后墙，出城逃上了长江上的一艘兵舰。与总督府比邻的第八镇统领张彪还企图负隅顽抗，起义军斗志昂扬，经过三次反复进攻，终于在天明前攻占了第八镇司令部，张彪退出武昌，匆忙渡江逃到汉口。新军营级以上的绝大部分军官看到锐不可挡的革命阵势，都感到大势已去，纷纷放弃抵抗而选择离营躲避。第二十一混成协统领黎元洪开始时还企图组织镇压，并且亲手杀死一名前来联络的革命士兵，及至楚望台炮声响起时，他发现自己原来的部队有的已经起义，其余的他也无法控制，明白此时阻挡革命无异于螳臂挡车，只得躲到手下一个叫刘文吉的参谋家中。起义军奋战一夜，力量越战越强，人数越聚越多，已达2000多人。当黎明到来时，武昌全城已经在革命士兵的掌控之中了。

    这些取得了胜利的士兵到这时仍然没有明确、统一的领导者。同盟会的领袖们或在国外，或在上海、香港等地；预谋发动这次起义的文学社和共进会的一些带头者又都不在现场，总指挥蒋翊武在9月18日脱险后就离开了武昌，参谋长孙武负伤后在汉口的一家医院。但是，经过全国各地资产阶级革命党人多年的宣传和组织，在当时的革命士兵的心目中，有一点是清楚的，那就是革命要以一个新的政权来代替清王朝的统治，既然已经夺得了湖北的省会武昌，就应该建立一个向清政府宣布独立的湖北省的政权，以促进其他各省的响应。然而，起义士兵不懂得应该把政权掌握在自己手里，错误地认为政府要由社会上有名望有地位的人来组成，于是，他们四处寻找可以领导他们的所谓德高望重者。

    10月11日早晨，兵士们发现了躲在参谋家里的第二十一混成协统领黎元洪。吴兆麟马上命令手下带一队士兵挟持黎元洪到楚望台。黎很不情愿在此出头露面，而在楚望台担任总指挥的吴兆麟却以对待长官的礼仪迎接他。当天下午，革命士兵中的骨干们在谘议局发起会议，来解决建立新政府的问题。黎元洪在士兵们的枪口的威逼下来到会场。革命士兵之所以选择谘议局做会场，是因为他们看中了谘议局的“权威性”。在他们心目中，谘议局是一个能代表“民意”的“新”的机关，不同于清政府的衙门。然而，谘议局的士绅们此时对刚发生的革命还没有回过神来，还对革命抱着首鼠两端的态度，因此，大都犹犹豫豫不敢出头。在士兵们的几次催促下，谘议局长汤化龙，副局长张国溶、夏寿康，秘书长石山俨和其他几个议员才不得不到会。谘议局会议成立了湖北军政府，初设军政、民政两部。黎元洪被推举为军政府都督，立宪派首领汤化龙被推举为民政部长。士兵们想依靠汤、黎等人的声望来号召群众，却没有防备这些人将乘机窃取革命的果实。