黄兴、陈其美、胡汉民等人亦表示赞成总统制，然而宋教仁仍坚持要实行总理内阁制。孙中山向他耐心解释道：“我若任临时大总统，也不过虚位以待罢了。若袁世凯能使清帝退位，吾人尚谓满清已覆，届时干戈不起，南北议和，再议内阁制不迟。我会将此意电告袁慰庭君。”
可不管孙中山怎样解释，宋教仁总是反复陈说自己的主张。孙中山见此，便让张继与宋教仁商讨总理候选人之事。宋教仁见孙中山同意组阁，便与居正、田桐、吕志伊等人相商，共推黄兴为总理人选，黄兴推辞不过，只得勉强应允。
宋教仁见黄兴应允出任总理，便兴冲冲地邀他去南京。当他们在12月27日自上海赶至南京时，云集南京总督府内议院的江苏、浙江、湖北、湖南、四川、云南、山西、陕西、安徽、江西、福建、广东、广西、山东、河南、直隶等十六省代表，正在议商建立共和政府之事，并已议决新建政府将以中华民国为国号，改用公历纪年。此前，他们已作出决议并布告全国，拟在两日内选举临时大总统。宋教仁来到议会会场，即要求在会上发表演说，议长汤尔和情不可却，同意了他的要求。宋教仁的演说，主要是说明应采取内阁制的种种理由，还提出要修改《临时政府组织大纲》。可是他演说过后，各省代表大多仍然主张总统制。一些代表见宋教仁的突然演说打乱了会议程序，对他颇有不满，会议最终否决了他的修正案。
孙中山当选为首位中华民国临时政府大总统
12月29日，代表们按会议预定程序开始选举中华民国临时政府大总统。上午，来自十七省的四十五名代表早早来到了会场，还有两名华侨代表也前来列席会议。由于这是中国历史上首次民主选举国家元首，莅临大会的代表个个激动。在南京的军学界人士得知正式选举临时大总统的消息，也纷纷前来旁听。
会议开始后，会场气氛庄严肃穆。议长汤尔和先将头天晚上预备会投票选出的有候选资格者揭晓，然后分票给十七省代表，以按省份次序投票，每省一票。投票完毕后，汤尔和在监选员刘之洁的监督下开票，结果候选人黄兴得一票，黎元洪零票，落选；孙中山得十六票，超过投票总数三分之二以上，当选为临时大总统。选举结果揭晓后，在场军学各界与代表一起山呼中华共和国万岁，在随后响起的雄壮音乐声中齐致祝贺。紧接着，代表会议立即电告在沪的孙中山，祝贺他当选为中华民国临时大总统；又决议由各省代表具签名书，交正副议长，到沪欢迎临时大总统来宁。
孙中山当选为大总统的电讯到达上海后，正在开会的同盟会员欢欣雀跃，黄兴当即领头高呼中华共和国万岁。孙中山得知自己当选，亦激动不已，尽管这在意料中。他立刻复南京代表会议电：“光复中华，皆我军民之力，文孑身归国，毫无发功，竟承选举，何以克当？惟念北方未靖，民国初基，宏济艰难，凡我国民，具有责任。诸公不计功能，加文重大之服务，文敢不黾勉从国民之后，当克日赴宁就职，先此敬复。”复南京代表会议电后，孙中山又以公仆名义致电各省都督。
为了不致使局势逆转，他又特致专电给袁世凯，以推崇的口吻说：“公方以旋转乾坤自任，即知亿兆属望，而目前之地位尚不能不引嫌自避；故文虽暂时承乏，而虚位以待之心，终可大白于将来。望早定大计，以慰四万万人之渴望。”
将电文处理完毕，孙中山正要准备动身往南京时，汪精卫却匆匆前来劝阻他就任大总统，说：“袁氏听到南京成立民国政府、先生出任临时大总统消息后，意向大变。先生若出任大总统，和谈将可能中止，袁氏亦将迫唐绍仪辞职。南北双方大有化玉帛为干戈之势。”孙中山听了，严正说：“我已电告袁世凯，我将虚位以待，量局势不致如此。既已选举我为临时总统，我不可辜负十七省代表和民众之心意。只要袁氏有意共和，届时我将自动让位与他。”汪精卫见孙中山就任之意已决，怏怏告退而去。
孙中山当选为临时大总统的消息传出后，沪、宁、江、浙及全国各地各届民众极表欢迎拥戴，对孙中山数十年坚韧不拔的革命精神、为民众服务的谦逊态度和平等精神更是敬佩。上海《民立报》及其他报刊上，载满了国内外各界团体和各地民众致临时大总统孙中山的贺电。安徽各界代表及军民万人在孙中山当选之日集会都督府庆贺，福州则举行万人提灯游行，南京、上海城内更是喜气洋洋，市民相率剪去发辫以示庆贺。尤其是南京，沿街各商铺居民皆备香花灯烛，以迎迓大总统；设在原两江总督衙门的总统府，已装扮得焕然一新，大门口扎起了彩棚，厅内点缀着五色彩灯。
1912年元旦，南京喜气洋洋，首位民选大总统孙中山宣誓就职
1912年元旦，正值盛年的孙中山身着呢质军服、头戴军帽，在议长汤尔和、副议长王宠惠等人的陪同下，由李平书派遣的商团卫队护卫，自上海乘铁路专车赴南京就大总统职。上海政界、军界及民众万余人到站恭送。专列在鸣炮声中启程，路经苏州、无锡、镇江等站时，均受到热烈欢迎。下午五时，专列抵南京下关车站，在市民的夹道欢呼声中缓缓驰入城内轨道。这时军乐齐鸣，停泊在长江的兵舰鸣礼炮二十一响。驻南京各国领事也都来到车站，与民军领袖和民众一起迎接孙中山。下专列后，孙中山改乘蓝色绣花彩绸马车，由黄兴和徐绍桢陪同前往设在原来清朝两江总督衙署的总统府。马车在进行中，前有军乐队骑马奏凯旋曲为导，后有卫队相随。此时已是细雨蒙蒙，且天气寒冷，但南京城内市民只管尽情欢乐庆贺；沿途各店铺悬挂的灯烛、旗帜，使全城充满节日气氛。临时大总统府大门外更是搭起两座彩门，苍松翠柏和彩色纸花显示出热烈的气氛，悬挂在彩门上的九盏贴金的大红宫灯分外夺目。
入夜，临时总统府大堂灯光明亮，大堂前檐悬挂的横幅是：“吾大中华民国吉期良辰”。大堂两边则立有竖联：“驱除鞑虏恢复中华；创立民国平均地权。”大堂上，并排挂着象征汉满蒙回藏共和的五色旗，分列两边的是武昌起义时使用的铁血十八星旗，大堂中间则用绳索悬挂着各色万国旗。
晚十时，激动人心的中华民国临时大总统就职典礼仪式开始。总统府的礼堂里灯火辉煌，主席台正中贴着“中华民国临时大总统就职典礼”十三个金光闪闪的大字。黄兴、蔡元培、胡汉民、徐绍桢等分列两边，以迎候首位民选大总统的莅临，来自山西的代表景耀月负责就职仪式的主持。各省代表，各方军政要人，以及荷马里等美国友人，全都齐集在堂，还有不少新闻记者前来采访。
当风尘仆仆的孙中山健步走进大堂时，全场呼起“共和万岁”的口号声。孙中山登上平台，以双手鼓掌致谢。孙中山就位后，参加典礼者先行三鞠躬，复鸣礼炮二十一响，然后奏起了雄浑的军乐。代表景耀月报告选举经过后，请临时大总统孙中山宣誓就职。孙中山离座起立，面向墙上的五色国旗，举起右手起誓：“颠覆满清专制政府，巩固中华民国，图谋民生幸福，此国民之公意，文实遵之，以忠于国，为众服务。至专制政府既倒，国内无变乱，民国卓立于世界，为列邦公认，斯时文当解临时大总统之职。谨以此誓于国民。”孙中山的誓言，随着他那抑扬顿挫的广东官话传遍会场，博起全场的热烈掌声。
孙中山宣誓完毕后，景耀月接着上台以热情的语调代表各省向大总统致颂词：
惟中华民国元年元月元日，民国第一期大总统孙文莅任。燕、辽、齐、豫、湘、鄂、秦、晋、苏、浙、皖、赣、闽、粤、蜀、滇、桂公民代表等迎迓祝颂而致词曰：
惟汉曾孙失败，东胡内侵，淫虏华夏，帝制自为者，垂三百年。我皇汉子孙呻吟深热，慕法兰西、美利坚人平等之制，用是群谋众策，仰视俯划，思所以倾覆虐政，恢复人权，乃断头椹胸，群起号召，流血建议，续法、美人之战史。今三分天下，克复有二，用是建立民国，期成政府，拣选民主，推置总统。佥意能尊重共和，宣达民意，惟公贤；廓清专制，巩固自由，惟公贤；光复禹城，克定河朔，举汉、满、蒙、回、藏群伦，共覆于平等之政，亦惟公贤。要知我国民久用钤制，疾首蹙额，望民主若岁。今当公轩车莅任，苍白扶杖，子女加额，焚香拥彗，感激涕零者，何也？忭舞自由，敦重民权也。用是不吝付四百兆国民之太阿，寄二亿里山河之大命，国民所委托于公者，亦已重哉！继自今，惟公翼翼，毋违宪法，毋拂舆意，毋作威福，毋崇专断，毋昵非德，毋任非才。谨致大总统玺绶，俾公发号施令，崇为信符，钦念哉！
颂词毕，景耀月在众人再次热烈的鼓掌声中，庄重地交付孙中山“中华民国临时大总统印”。孙中山神情庄严地接过红绸包裹的印绶后，即在备好的《临时大总统宣言书》上盖印，并交与胡汉民宣读。继之，孙中山以临时大总统身份发布《告全国同胞书》、《告友邦书》及《告海陆军将士书》、《告北军将士书》，宣明中华民国政府的外交内政主张。最后，他下令定国号为中华民国。
1月2日，临时大总统孙中山发布《改历改元通电》，规定：“中华民国改用阳历，以黄帝纪元四千六百零九年即辛亥十一月十三日，为中华民国之年元旦。”通电还宣布，以1912年元月1日作为中华民国建元之始。
