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4月25日，清廷又调了两个巡防营到广东。一些起义领导人再次提出改期，遭到黄兴的极力反对，他表示要以死相拼，以谢海外同志；但另一方面，黄兴又令各部先锋迅速撤回，并保存好枪械，为来日做准备。但就在各人散去后，林文、喻培伦突然赶到黄兴那里汇报：起义风声已经外露，“非速发无以自救”。黄兴下定决心，集结三四十人攻击督署，杀都督张鸣岐。
4月26日，陈炯明、姚雨平向黄兴报告，从顺德调回来的清巡防营中的同志，已决心起义。闻听消息，黄兴又赶紧电告香港，“母病稍痊，须购通草来”，决定在次日下午5点半发难。但是先锋队已在前一天被遣散大半，因此黄兴不得不调整计划：原定十路进攻计划只得改为四路。
在香港的同志得到起义通知后，因为来不及派大队赶到广州，申请延缓一天，但“部署已定，不能再改”。
4月27日一早，乘早船到达广州的赵声部队，因城门紧闭而不能进城；只有福建和海防的先锋到广州候命。黄兴将象牙印章及黑钢时表分送给各先锋，以作守信及准时之用。
27日下午4点，离预定的起义时间还有一小时，黄兴集众演说，这时李文甫、罗仲霍、朱执信、谭人凤等人也悉数到来，谭人凤将香港情况告诉黄兴，请求延缓一日，黄兴只说了一句：“老先生，勿乱我军心！”此时，箭在弦上，不得不发。
出发前10分钟，陈炯明派人来，见黄兴等人已经整装待发，一言未发转身离去。按预定计划，黄兴攻督署，陈炯明攻巡警教练所。但后来的事实是，陈炯明害怕事情棘手而不敢行动。
4月27日下午5点半，黄兴率队出发，“一时螺号呜呜，风起云涌”。但黄兴在攻下了只有少数卫队守卫的两广总督府后，其他3路却都没有随后接应，寄予希望的城外新军也没有接到通知，其他联络的民军则因宣布改期后已经解散，这样只剩下100多名先锋队员面对比他们多几十倍的清军援军，陷于孤军苦战。当赵声、胡汉民率领200多人乘夜船于28日凌晨到达广州时，见城门紧闭，又分别折回。此时，起义已彻底失败了。
起义失败后，由善堂收殓死者遗体，共有72位烈士——这便是后来广为传颂的“黄花岗72烈士”，但实际上，后来经过深入调查，又发现了14位殉难者，一共86位为革命献出了生命，同盟会党员、《平民报》主编潘达微挺身而出，为烈士寻找一处葬地安息，最后将72位烈士的遗体葬在了黄花岗。
1911年4月28日晚6点，孙中山与致公堂大佬朱卓文由温哥华抵达芝加哥车站。西方报纸纷纷登载这次起义的消息，孙中山立刻发电给香港的胡汉民：“闻事败，同志如何？善后如何？”
当时，孙中山每天都应邀到各处演说，忙碌不堪。香港方面却一直没有复电，一周之间孙中山连发三封电报给胡汉民，但均无消息，孙中山一直心情沉重。一次原定3个小时的演讲，但一直情绪非常不安的孙中山只演讲了一个小时便难以为继，以至于早就耳闻“孙先生演讲口若悬河”的一些听众，都怀疑是假冒者来代替他演讲。
直到5月3号晚上，孙中山终于收到了胡汉民的回电，得知黄兴等人安然无恙的消息，孙中山才心情舒展。
黄花岗之役，革命党受创之重，也是自革命以来最严重的一次。革命党人的精英——先锋队员们大部分壮烈牺牲，还有一些人在被捕后遇害。孙中山用饱含激情的口吻，赞扬了民国创建前最后一刻付出生命的烈士们：
是役也，碧血横飞，浩气四塞，草木为之含悲，风云因而变色。全国久蛰之人心，乃大兴奋。怨愤所积，如怒涛排壑，不可遏抑，不半载而武昌之大革命以成。则斯役之价值，直可惊天地、泣鬼神，与武昌革命之役并寿。
“首义第一枪”
一次又一次的起义虽然都以失败而告终，清王朝仍在支撑着摇摇欲坠的政权，像一只千疮百孔的破船，随时将被革命的怒涛吞没。果然，1911年10月10日，埋葬清朝统治的武昌起义爆发了。
1911年7月31日，宋教仁、陈其美等人在上海成立同盟会中部总会，任命居正主持成立湖北分会。这时的武汉，革命思想已深入人心，军界和知识分子中倾向革命、加入革命党的人越来越多，而且革命党得到了共进会领导人刘公的5000元捐款，解决了经费问题，于是革命党决定在武汉举行起义，推居正等到上海，与宋教仁等商量购买军火，并请黄兴、谭人凤来湖北领导革命起义。
1911年1月30日，湖北新军中革命党人蒋翊武、刘复基等成立文学社，坚持湖北从科学补习所以来至振武学社各革命团体的一贯传统，继续以新军为主要对象发展革命力量。1907年在东京成立的共进会，领导人于1908年相继回国，准备按计划在各省策动起义，其中以湖北共进会成效最为显著。
1911年9月24日，文学社和共进会在胭脂巷机关举行会议，一致决议定于10月6日（农历八月十五日）举行起义，还推举蒋翊武为革命军临时司令，孙武为参谋总长。不幸的是，6日起义的决定走漏了风声，甚至被公开登在汉口的报纸上。不得已，总机关决定将起义推迟到10月9日，即农历八月十八夜举行，其余均依原定计划进行。
10月9日上午，孙武与邓玉麟在汉口俄租界宝善里14号机关配制炸药，11号则是共进会领导人刘公的寓所。下午3点，刘公的弟弟刘同来到14号，不巧烟灰落下的火星引起爆炸，将孙武烧伤。俄国领事带领警察，将刘公夫人和刘同等逮捕，搜出有中华民国军政府鄂省大都督之印、告示、革命党人名册等物。清朝风闻革命党起义消息，要求驻汉口的俄领事予以协助。
当天早晨，蒋翊武由岳州回到武汉，正与同志们讨论起义之事时，忽然得知孙武出事的消息。当时风声更紧，湖广总督瑞澂下令武汉戒严，街上布满了军警，清兵正在按搜到的名册在各营中抓捕革命党人。蒋翊武同意提前发难，然后以“临时总司令”名义起草了一份命令，约定当晚12点起义，以炮声为号。
到了晚上12点，蒋翊武等人仍在机关二楼等候起义，楼下开着留声机以作掩护；忽然大队军警来到这里，开始“砰砰”地砸门。刘复基开门后，从楼口扔下一枚炸弹，不料误炸了楼梯，弹片反射又伤及自己，刘负伤后被捕。蒋翊武、彭楚藩等想从邻舍屋顶逃走不成，也被捕。但在押送途中，蒋翊武与另位两位同志相继逃走。当天晚上，彭楚藩、刘复基与杨洪胜三位革命党人便被湖北都督瑞澂杀于督署门外。
天亮以后，形势更加危急。因为新军炮兵与工程等营加入革命的士兵名册被查获，清兵开始在各营中搜捕革命党人。
消息传到工程八营，革命党在该营的总代表熊秉坤深感形势严峻，若不当机立断，起义就会夭折。于是熊秉坤便利用早餐机会集中各队（连）党人代表，秘密商量，熊说：“今日反亦死，不反亦死，大丈夫能惊天动地，虽死犹烈！”这席话获得在场代表的一致赞成。当时大家决定晚间第一次点名后起义，以3声枪响为号，先杀掉敢于抵抗的反动长官，再攻占楚望台军械库。
因为枪弹已被没收，吕功超回家取来他哥哥存的两盒子弹，于郁文等人从其排长处偷来了两盒子弹，这就是起义的全部枪弹。其他营的新军也决定不计成败在当天晚上起义。但早有防备的清政府却下令湖北全军停止晚操，使熊秉坤原来的计划无法实施。
晚上8点多，二排长陶启胜得到起义情报后，带人闯进一排来侦查，正好看见程定国、金兆龙等人正在换枪装子弹，大声呵斥：“想造反吗？”金兆龙也回答：“造反怎么样？”陶启胜想先发制人，猛扑过来，抓住金兆龙双手，金兆龙大声喊：“同志们再不动手，等到什么时候？”程定国举起枪托猛击陶，陶启胜向外逃时，被程定国举枪射中腰部。武昌起义的第一枪就这样打响了。
1914年，孙中山在东京指着熊秉坤向同志们介绍说：“这就是武昌起义放第一枪的熊秉坤同志啊！”后在《孙文学说》中，又称“熊秉坤首先开枪发难”。但如果仔细考察历史史实的话，这种说法并不准确。
10月10日之夜，武昌城火光闪闪，炮声隆隆，喊杀声和欢呼声混成一片。当程定国打了具有历史性的一枪后，“全营轰动”，枪声此起彼伏，熊秉坤带着队伍来到楼门，将反抗的工程营代理管带阮某等3人打死，然后鸣笛集合。起义士兵起来响应，夺取了武器弹药。熊秉坤率队出营，这时城北也火光连天，原来是二十一混成协辎重工程营李选皋也发动了起义，两队都向楚望台军械所方向奔去。
楚望台设有军械库，里面藏有从德国、日本购买和汉阳兵工厂制造的大量军火，一向由工八营派兵守卫。那里的革命人早已作好了起义准备，听到工八营营房枪响，他们赶跑了这里的反动军官，迅速占领了军械库，与赶来的熊秉坤等会合。接着许多邻近兵营的革命党人也率部奔赴楚望台，楚望台顿时成为起义部队的大本营。
为了加强指挥，起义军公推工程八营队官（连长）昊兆麟为临时总指挥，熊秉坤为副总指挥。命令金兆龙带一队士兵打开中和门（今起义门）迎接南湖炮队，熊秉坤等兵分3路进攻湖广总署。
进攻湖广总署的3路起义军，战斗十分艰苦，进展缓慢，曾一度受挫。10月10日夜晚，雨雾茫茫，一片漆黑，炮弹的命中率低，而总署衙门墙高厚垒，当时又有最先进的机关枪组成的强大火力网，同时总督瑞澂和第八填统制（师长）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�