武昌城内戒备森严，各标营**党人无法取得联络，当晚的计划落空。在失去蒋翊武、孙武、刘公等人的组织和联络之后，新军中的低层**党人不得不自行联络，约定以枪声为号于1911年10月10日晚发动起义。
10月10日晚，武昌起义正式打响第一枪，以当时军职最高的第八镇工程营左队队官（连长）吴兆麟为临时总指挥，吴兆麟不是同盟会员，而是日知会成员。在付出惨重的代价下夺取了位于中和门附近的楚望台军械所，缴获步枪数万支，大炮数十门，子弹数十万发，为起义的胜利奠定了基础。此时，驻守武昌城外的辎重队、炮兵营、工程队的**党人亦以举火为号，发动了起义，并向楚望台齐集。武昌城内的29标的蔡济民和30标的吴醒汉亦率领部分起义士兵冲出营门，赶往楚望台；尔后，武昌城内外各标营的**党人也纷纷率众起义，并赶向楚望台，起义人数多达3000多人。
晚10点半，起义军兵分三路进攻总督衙门和附近的第八镇司令部，炮兵第八标则在中和门及蛇山占领发射阵地，向总督衙门和第八镇司令部进行炮击。刚开始时，由于起义军没有得力指挥，进攻极为不顺，再加上兵力上不够，进攻几次受挫。凌晨过后，起义军再次发起猛烈攻击，并将火把丢入总督府和第八镇司令部内，引到炮兵进行炮击，受到炮火打击的清军抵挡不住，总督瑞澄打破督署后墙，从长江坐船逃走，而第八镇统制张彪仍旧在司令部顽抗。起义军经过反复的进攻，终于在天亮前占攻破督署和镇司令部。张彪不得不退出武昌，至此整个武昌在起义军的掌控之中。
在这一夜，全国各地很多人都得到了武昌爆发起义的消息，萧震雷也不例外，他立即发电指示早已经抵达南昌的胡为山等人立即联络江西境内的党内同志和新军第二十七混成协五十四标标统齐宝善和五十五标的庄守忠等人，准备响应武昌起义。
而在这一夜，还有一些人得知了武昌起义的消息，保定军校内的**党人何贯中和李济深得知消息之后立即组织起来，并且连夜潜出校外用炸弹炸毁了漕河铁桥，此乃北洋六镇和清军南下的唯一铁路大动脉，漕河铁桥被炸，清军南下镇压起义运动的行程被耽搁，这不仅极大地支援了湖北武昌起义军接下来的军事行动，其更大的意义在于，这为**党人在全国范围内举事赢得了充裕的时间。
10月11日清晨，起义军占领了武昌全城，随即发布安民告示。中午时分，在咨议局召集联席会议，商讨组织军政府，起义者都是一些低层军官，最高军职的吴兆麟也只不过是