张彪把5000清军布防在通向湖广总署的各条要道，使3路起义军沿途受阻。为了改变被动局面，吴兆麟、熊秉坤一面组织各路义军发起猛攻，一面决定火攻助威。在进攻总署衙门时，不少附近的居民自愿参加了这场具有历史意义的战斗。他们熟悉地形，又乐于献出自己的住房，同义军一起纵火，火光冲天，照得总署衙门一片通明，连门前的旗杆都清晰可见，为炮队指明了炮击目标。
大炮的怒吼，击中了总署签押房，使负隅顽抗的清军胆战心寒。瑞澂闻风后十分恐慌，命令手下将督署后的围墙打穿，带领卫兵由吴家巷潜逃，出文昌门，仓皇登上“楚豫”舰。
熊秉坤率领的第三路义军在总署衙门正面遭到清军困兽般的顽抗，战斗十分激烈。为了尽早消灭敌人，熊秉坤挑选了40名精悍的士兵组成敢死队，他们冒着枪林弹雨奋勇杀敌。革命勇士王世龙手提煤油、木柴冒死跃上钟鼓楼放火，不幸壮烈牺牲，然而钟鼓楼火势大作。在大炮的掩护下，起义军冲进总署东辕门（今武昌造船厂东大门）。守在总署大门前的清军，凭借武器的优势，用机枪向起义军疯狂扫射，作最后的挣扎。
这时，工程营士兵纪鸿钧手提一桶煤油，冒着密集的弹雨，跃上总署耳房破桶纵火成功，自己却在战斗中英勇献身，熊熊的烈焰蔓延到总署大堂。起义军乘势猛攻，歼敌无数。
辛亥“首义”经过一夜的鏖战，革命军终于攻克了清政府在湖广的最高统治机关——湖广总署，占领了武昌城。11日清晨，革命军旗帜高高飘扬在白云黄鹤的上空，一群群起义官兵兴高采烈地相互祝贺，相互拥抱。起义成功了！到了10月11日下午，武昌完全光复，大小官吏都逃走了，12日汉口光复，13日汉阳也光复。各军和学生们组队在街头宣传革命宗旨。革命军得到了大约4000万元的清军库存，经济充裕，局势趋于稳定。
武昌首义后不到两个月，全国24省中，便有14省举起了义旗，宣告独立，使得清王朝迅速陷入土崩瓦解的境地。这一年是中国阴历辛亥年，这次波澜壮阔的革命运动，由是称之为“辛亥革命”。
革命中心之外的孙中山
当武昌起义的第一枪响起时，孙中山正在前往美国科罗拉多州丹佛市的旅途中。十多天前，他在旅途中接到黄兴从香港打来的电报。可是，密电码本随着行李先运送到了丹佛市，孙中山一时无法译出。直到1911年10月11日晚到了丹佛市，从行李中捡出密电码本，他才知道：“居正从武昌到港，报告新军必动，请速汇款应急。”
此刻，孙中山无法筹得款项。他本想马上拟电回复，建议黄兴他们暂时不要采取行动。可是，当时已是深夜，加之多日奔波，筹款演说，思想烦乱，一时拿不定主意，只得上床睡觉，打算明晨精神清爽时候，好好思虑一番，再去复电。
旅途疲乏，使得孙中山一觉醒来，已是10月12日上午11点多。在去饭堂用餐的路上，经过走廊报摊，他顺便购买一份报纸携入餐厅。他坐下一看，一段电讯赫然写道：“武昌为革命党占领。”
开始，孙中山简直不敢相信自己的眼睛，待他再看两遍，便紧紧抓住那张报纸。惊喜交集的心情可以想见。孙中山匆匆吃过早餐，立刻回到旅馆。一个重要的问题，需要他马上回答：是马上回国直接指挥战斗，还是先在欧美进行外交活动？
经过一番思考，孙中山决定暂时还是留在国外，走访美、英、法3国政府，争取国际对新政权的支持。他认为，在这关键时刻，外交活动是“可以举足轻重为我成败存亡所系者”，于革命成功更有裨益。他决定从纽约去欧洲，先从外交方面做出努力，解决革命党与西欧各国的关系，然后再回国。
可是，帝国主义列强对辛亥革命的态度，并不像孙中山估计的那样。孙中山活动的第一个重点首先是美国政府。在赴纽约途中，路过圣路易斯，看到报上载有“武昌革命军为奉孙逸仙命令而起者，拟建共和国体，其首任总统当属之孙逸仙”的文字，孙中山意识到，中国革命已为世界所关注，为了避免不必要的麻烦，他在途中格外谨慎，避免会见一切报馆访员。可是，他到了芝加哥，又满怀激情地为中国同盟会芝加哥分会代拟了召开预祝中华民国成立大会的布告：
武昌已于本月19日（农历）光复，义声所播，国人莫不额手相庆，而虏运行将告终。本会谨择于24日开预祝中华民国成立大会，仰各界侨胞届期踊跃齐临庆祝，以壮声威，有厚望焉！
此大会后，有十多家西方报纸想采访孙中山，但都被他拒绝。尽管如此，“孙逸仙”这个名字已经频频成为这段时间外电报道的重点对象。其中英国《每日电讯报》的一篇文章是这样写的：
孙逸仙博士的信徒设在纽约的总部，昨天晚上挤满了人。据称，几乎每一个出席者都会讲流利的英语。墙上悬挂着孙逸仙博士的巨幅油画肖像，还有其他穿着革命军军装的士兵和海员像。大家都在谈论革命。
10月20日，孙中山自华盛顿抵达纽约。在纽约，他对华侨演讲共和政治，向美国朝野人士介绍中国革命宗旨，希望博得他们的同情。同时，他确定今后革命计划，拟由黄兴领导湖北革命军对清作战，由胡汉民、朱执信诸人相机争取广东反正，并致电两广总督张鸣歧，敦促他率领所部归降。
当时，孙中山是以化名前住纽约的。为保密起见，除同志每日因事谒见外，外界无人知晓。
11月2日，当黄兴在湖北军政府紧急会议上被推举为中华民国军政府战时总司令时，孙中山正乘坐在从纽约开往伦敦的轮船上，英国是孙中山为一个新政权开展外交努力的第二个国家。11月14日，孙中山委托他人与英国外交大臣格雷交涉，再一次向英国政府“止绝清廷一切借款”等三项要求，除此之外，还表达了强烈希望取得英国对中国革命的“友谊和支持”，向其借款100万英镑，并允诺革命胜利以后，“给英美在华若干优先权利”。
孙中山提出的要求遭到英国外交大臣格雷的否定，并在英外交部传为笑柄，称孙中山为“理论性的与喜说大言的政治家”。而格雷仍作绅士状地表示“英国将保持中立”。孙中山充满希望的英伦之行，也并不如愿。
虽然英国外交大臣此时并不看好这位来自遥远东方的革命者，但他并不知道，就在他冷冷拒绝孙中山的同时，在中国国内，江苏都督程德全已致电各省都督，希望孙中山回国组织临时政府。电文里说：
大局粗定，军政、民政亟须统一，拟联合东南各军政府公电恳请孙中山先生迅速回国组织临时政府，以一事权。中山先生为首创革命之人，中外人民皆深信仰，组织临时政府，舍伊莫属。我公力顾大局，想亦无不赞成，即祈速复。
两天后，孙中山在致民国军政府电中，第一次公开表达了对民国总统人选的态度：“今闻已有上海议会之组织，欣慰。总统自当推定黎君。闻黎有请推袁之说，合宜亦善……”
后来很多学者认为，孙中山缺乏牢固掌握政权的意识，当初不该发这种同意黎或袁担任总统的电报。孙中山在电文后面也表示，不管选谁，“但求早固国基”，这正反映出孙中山超出一般政客的气魄和胸怀，这个思想也与他后来的“让位”举动一脉相承。
此后，孙中山对自己未来的政治出处，曾一再表态。据1911年11月23日路透社披露的孙中山与康德黎谈话，孙中山称自己的志向“不急在做中国之总理大臣”，只要做这个官“有益于中国，亦所不辞”。在一次讲话中，孙中山还说：“不论我将成为全中国名义上的元首，还是与别人或那个袁世凯合作，对我都无关紧要。我已做了我的工作，启蒙和进步的浪潮业已成为不可阻挡的。”
11月20日，当袁世凯在北京组成责任内阁时，孙中山又开始了他的法国之行。而他在法国受到的礼遇，较之于在英、美好得多。法国人对中国革命都表示同情，包括已卸任的法国总理克里孟梭。法国外交部长毕恭得知孙中山希望与他见面时说：
我哪里有不见孙逸仙的道理？中国正处在今天这个状况，无论什么事情都可能突然发生。孙逸仙的计划你怀疑有些空想吗？其实这并不重要，主要的是，他已经有了一个政党，而这个政党是完全可以推翻清政府的！
但是，孙中山同样未能从法国那里得到借款。法国东方汇理银行总裁西蒙虽然宴请了孙中山，却直接而坦率地拒绝了孙中山的借款请求，理由是四国银行已达成一致协议，法国必须“严格地遵守中立”。考虑到其他国家情形与此差异不会太大，孙中山决定立即归国，不再滞留。
4天之后，孙中山告别欢送他的留学生，由法国马赛乘“丹佛”号轮船归国。他的故乡此刻正以如火如荼的革命形势，欢迎这位革命的精神领袖归来。
矛盾四起的革命队伍
孙中山从法国乘英轮，途经槟榔屿、新加坡返回祖国。一路上他的行踪一直被严格保密。
这时武昌起义已过了45天，15个省宣布光复，其他省也是人心所向，随时都可能发生革命，全国的形势极好。同盟会此时完全可以一鼓作气，彻底扫除清王朝的最后的余威，但遗憾的是，此刻，革命内部又出现了矛盾。
1911年11月7日，黎元洪通电各省起义独立的军政府，提出建立中央政权的问题，9日又通电各省派代表到武昌，筹商组建临时政府之事。
11月11日，已经光复的江苏、浙江两省都督，联名致电上海都督陈其美，提议将代表大会放在上海召开。很快，山东、湖南等7地代表到达上海。
这样，就出现了武昌、上海两处都在筹备成立中央政权的情况，实际上双方都在争夺筹备中央政府的主动权，一时相持不下。最后，上海同意去武昌开会，但仍坚持各省留一人在沪。
当各省代表陆续到达汉口之际，11月27日，清军攻陷汉口、汉阳，大炮架上龟山，湘鄂革命军退守武昌后，形势十分危急。军政府召集紧急会议商讨对策。黄兴主张放弃武昌，率领所有精锐部队及军需供给，乘兵舰向东到南京建立根据地，然后再图收复。但他的意见遭到孙武等人的坚决反对，他们认为武昌是革命最先起义的地方，有精神象征之意义，一举一动关系着全局，如果不战自退，那么各省也会动摇。孙武认为，凭借长江天堑，敌方很难轻易渡江。参加会议的人一致赞成困守武昌，虽然大家仍推举黄兴做总司令，但意见不被采纳的黄兴乘船去了上海。
12月2日，江浙联军攻占了南京，此举也使上海江浙的声势大涨。而汉口、汉阳的失守，则大大削弱了武汉革命中心的地位。留在上海的各省代表本来就对黎元洪在武汉筹组中央政府心存不满，所以在攻克南京后，12月4日，他们就以形势吃紧、急需组织中央政府为名，召集在上海的代表开会。会上选举黄兴为“假定大元帅”，黎元洪为副元帅。第二天又决议，由大元帅组织中华民国临时政府。但是黄兴坚辞不受，认为组织政府，“非我所能担任者也”，最后只勉强答应作为权宜之计，在孙中山归国前暂任此职。
上海此举并未同武汉协商，黎元洪在12月8日立即做出反应：通电各省都督，指责其“情节甚为支离”，要求设法取消，“以免混淆耳目”。
12月12日，已宣布独立的14个省、39位代表先后到达南京，选出浙江代表汤尔和为议长，广东代表王宠惠为副议长；并议定12月16日选举临时大总统。
12月15日，本来就错综复杂的局势又有了变化——从湖北赶到的浙江代表陈毅转达黎元洪的意见，要求暂缓选举总统。因为此时黎元洪已与前清重臣袁世凯派到武汉的和谈代表唐绍仪有所接洽，黎元洪认为大总统一席应虚位以待。经过一番反复，各省代表重选黎元洪为大元帅，黄兴为副元帅，但黎元洪又不能来南京，由黄兴代行大元帅职位。
从上面可以看出，选举袁世凯为大总统的问题，这时已公开提到台面上来了。
黎元洪、汤化龙其实早就与袁世凯有联系。袁世凯曾接连3次致信黎元洪，让其“和平了结，不独不究既往，尚可定必重用，相助办理朝政”，而黎则“望袁如帝天”，一意主和，并致信袁世凯，希望他能倒戈让清帝逊位。这种想法应该也不仅仅只是黎元洪才有——1911年11月9日，黄兴在给袁世凯的信中，一面谴责袁部火烧汉口，又谓“人才原有高下之分，起义断无先后之别”，以拿破仑、华盛顿相期许，敦促袁世凯反正。
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