吴兆麟见熊秉坤调度有方，精神为之一振，即按其吩咐行事，并急传令已进据蛇山和中和门的炮队用炮火助战。但炮队因天空漆黑，所发炮弹难以命中敌人，便传令进攻部队点火照明目标。阙龙接令后，即命部下纵火焚烧督署前的钟鼓亭。居民见义军攻打总督署，主动找来引火木材和桐油。钟鼓亭点燃后，顿时光焰冲天。炮队看清目标，便向总督署和第八镇司令部连连发炮。各路义军则乘势进击，攻占第八镇司令部后，开始向总督署逼近。
熊秉坤率领四十名勇士冲到总督府对面的马路边时，见城头上机关枪仍在猛烈扫射，便差人把总督府通往外面的电线割断，接着命赵道兴、纪鸿钧各领三人带着煤油、破布与火柴，绕至总督府西门和东门点火，自己则向正门佯攻掩护。当城头守军与熊秉坤所率的敢死队接战时，赵道兴等人已冲到总督府西门房，将点燃的破布投入房内。不多时，房内烟火升起。张彪见了，亲自率兵扑来，击倒赵道兴等人，扑灭了大火。熊秉坤见西门点火失败，便将佯攻变成真攻，率众直逼总督府头道衙门。张彪见了，急令一队清军出西门房上马路，绕到敢死队后面想将其围歼。但敢死队早已把生死置之度外，他们以强大火力压倒出署门之敌。张彪怕中计，慌忙将冲出署门的清军撤回防守衙门。这时，他发现有人快要接近东门房，便用火力封锁，使纪鸿钧等四人中弹倒地。熊秉坤见了，即带人向衙门大门猛冲。敌人的火力被吸引过去后，身中两弹、唯一负伤未死的纪鸿钧不顾流血剧痛，拿着煤油、破布和火柴顽强地向东门房爬去，最后一跃而起，将整桶煤油倒在自己身上擦火柴点燃，口中高呼着“革命党人冲啊”，一头冲到东门房大门前，拉响了怀中炸弹。伴随着一声巨响，东门房被炸开，一股浓烟冲天而起。熊秉坤见状，眼含热泪高喊着：“为死难的革命党人报仇，冲啊！”众人跟在他身后，从缺口处冲进了头道衙门。张彪见头道衙门被攻破，即退入第二道衙门，并迅速调来四挺机关枪加强抗阻。
在蛇山的炮队见总督府起火，即定位发炮，恰好首发的一枚炮弹击中瑞澂的龙案，把坐镇指挥的瑞澂掀了个四脚朝天。他忍痛爬了起来，急令左右快去调回张彪。张彪接到命令，只好让全部人马撤至衙门内，保护瑞澂。这时，吴兆麟率领大队人马赶来增援，熊秉坤即令全体官兵猛攻内衙，又派兵围困总督府。张彪只听见外面杀声震天，好像义军已从四面八方围拢过来，便急忙吩咐差弁在总督署的后围墙上凿开一洞，带着一排卫队拥护着总督瑞澂钻洞而出，沿墙后小路来到江边，逃入停泊在那里的楚豫兵舰。
起义军占领督署后，万众欢腾。熊秉坤与吴兆麟即命人挂出革命党人的旗帜。阙龙领命，不顾身负有伤，亲自下了督署前的龙旗，换上了革命党人事先准备好的五色旗。义军诸将士见了，顿时雀跃欢呼。
在进攻总督署的三路义军获得胜利的同时，其他各路义军也先后得手并参加了举事。代表余凤斋指挥工程、辎重营士兵攻破武胜门，代表江国光率领第三十一标夺守宾阳门和忠孝门。在城外的马队八标闻城内枪炮声大作，迅即在代表徐国钧的率领下入城，负责巡逻各城门，来回传递战报。测绘学堂的学生在楚望台领得了枪械，即协助驻守楚望台和通湘门。至11日黎明时分，武昌城内各官衙、各城门均被革命党人控制。为欢庆武昌首义的胜利，革命党人特在蛇山上黄鹤楼悬挂起一面醒目的十八星旗。
汉阳新军中的党人见武昌光复，兴奋不已，即在胡玉珍的带动下发难响应。11日晚八时许，起义士兵占领了汉阳兵工厂和铁厂，将大炮拖上龟山，在龟山山顶插起十八星旗，设立起义临时指挥部，随即派兵到汉口。
驻汉口的新军第二营闻知武昌、汉阳起义得手，即在代表赵承武等人的率领下在居仁门发难，并与汉阳派来的部队会合，迅即占领全城。汉口商团这时亦以白布为标记接应义军，商民更是燃放鞭炮以示欢迎。至10月12日清晨，十八星旗亦迎着旭日飘扬在汉口上空。
黎元洪被举为都督后像个泥菩萨
武昌义军虽然一举攻下总督署，但此时军中尚无有威望的统帅。举义之前，本来已推举刘公为都督，刘英为副都督，但武昌光复时刘公在汉口未能渡江过武昌，刘英则远在京山县。起义总指挥蒋翊武避走出城后，众人一时不知他在何处。胡瑛、詹大悲尚在狱中。而在国人中素有威望的同盟会领袖黄兴以及宋教仁、谭人凤此时又尚未到武昌。攻下总督府，众士兵狂欢过后，起义的发动者反倒为难起来。尤其是熊秉坤，他觉得自己和负责起义诸党人都是下层官兵，资历太浅，在军中无威望，难以担重任。但群龙无首，时间一久必生变乱，于是他推举队官、临时总指挥吴兆麟暂为主持。吴兆麟也觉得自己资历不深，连连谦让，要蔡济民筹商主持人，蔡济民便约起义各方面负责人到咨议局会商大计。
11日上午，已激战了一夜的近二十名党人首领陆续赶到了省咨议局会议。蔡济民对众人说：“武昌首义之功，功在诸位同志。目前最要紧的是组织政府，不能这样群龙无首；还必须马上通电全国，呼吁响应；安民告示更非马上发出不可。我们一定要找一个德高望重、为全国所知的人，才能号召天下，免得别人说我们是兵变闹事。”赵振武听了此话，插言说：“我们已经推定了总理和总指挥，怎么办？”蔡济民说：“原来推定的诸人，目下都不在武昌，缓不济急。”于是众人决定派人分头寻找议长汤化龙、副议长张国溶及驻会议员来咨议局会商办法。
议长汤化龙与一些议员被陆续请来后，党人便推举他出任都督。汤化龙的亲家、议员胡瑞霖虑心革命成败尚未可知，从旁代为婉辞说：“目下是军队起来革命，汤议长不便领导，最好在军队中推一有声望的人。”汤化龙见胡瑞霖为自己代辞，担心别人误解，便说：“革命事业，鄙人素表赞成。但此时武昌发难，各省均未知晓，须先通电各省，请一致响应，以助大功告成。此时正是军事时代，兄弟非军人，不知用兵。关于军事，请诸位筹划，兄弟无不尽力帮助。”蔡济民见此，便提议说：“可否推举二十一协统领黎元洪？他军务娴熟，为人厚重，又出过洋，颇有名望，军中职位又数他最高。”议员刘赓藻马上附和说：“此提议甚好。黎协统又是湖北黄陂人，此时尚在城中，如大家愿意找他，我可介绍前往。”众党人听了，均表示赞成。蔡济民即让刘赓藻带他到黄土坡，往黎元洪的参谋刘文吉宅中去问询，但刘家家人告知：“协统本在管带谢国超家，现已去了楚望台。”原来，军代表马荣等率兵一排到处搜寻黎元洪，已在谢宅换上了便衣的黎元洪当时避匿不及，被马荣等人搜到，即被推拥至楚望台去了。蔡、刘等人即赴楚望台，迎黎元洪到咨议局与会，这时会众正在讨论成立军政府事。
