如何袭取广州，是筹备期间的一个重点讨论问题。孙中山的计划是“擒贼先擒王”——“拟以5人为一队，配备枪械炸弹”，从官署后面攻入官员住宅，将长官或杀或擒，令全城群龙无首，无发号施令之人；再让预先埋伏在城中的同志冲击要害；“更将横街小巷铺屋轰塌，使诸援军通行不便”。
但大家一致认为，孙中山的方案太过冒险，因为人少力薄，如果偶有差错，“同归于尽，冒险太甚”，赞成者只有三位。新方案决定，将“外起内应”改为“分道攻城”，在约定日期，让各地民团会党，分别沿着顺德、香山、北江三路，会聚广州，同时起义。
为预谋中的起义争取外部支持，也是孙中山一直没有放弃的。港英方面主要由杨衢云等人负责，孙中山则主要做日本方面的工作。孙中山早在3月1日就前往日本驻香港领事馆拜访中川恒次郎领事，孙中山认为当前更重要的是缺乏武器，需要步枪25000支，手枪1000支，希望中川能够帮助筹措。
中川对孙中山的计划充满了怀疑。他在给别人的信里评价说：“其统领的才干、经历和人望等，皆很不够，而且各派间的联络也不通畅，因此即使举事的步骤和手段已经定下，其举事能否成功，尚有怀疑。”
一个月后，孙中山又到领事馆找中川数次，中川认为，孙中山向他提及要在两广独立成立共和国，“只不过是空中楼阁而已”，日本方面因而一直没有明确表示支持。
广州起义流产
1895年，面对已衰败不堪的大清王朝，一些心存忧虑的中国人用各种方式试图来拯救。5月2日，康有为联合各省应试举人1300多人发动“公车上书”，要求“拒和”、“迁都”、“变法”，资产阶级改良派开始登上政治舞台。
另一方面，孙中山等人试图用另一种方式来改变这个国家的前途和命运。10月10日，兴中会的主要骨干孙中山、陈少白、郑士良、杨衢云、黄咏商、谢缵泰等七八人在香港集议，选举兴中会的主要领导人——总办，而且大家商定，这个总办就是起义成功后所成立的临时政府的大总统。对于这一重要职位的人选，兴中会内部有两种不同的意见：陈少白、郑士良等人认为非孙中山莫属，而谢缵泰则拥戴杨衢云。
这种分歧不难理解。原香港辅仁文社的几个人加入兴中会后，虽在革命大方向上与孙中山等一致，但因派系不同而存在矛盾。其中尤其是辅仁文社创始人之一的谢缵泰，对孙中山印象一直不好，他曾这样描述他眼中的孙中山：
孙逸仙看来是一个轻率的莽汉，他会为建立“个人”的声望而不惜冒生命的危险。他提出的都是易招物议的事情，他认为自己没有干不了的事情，他认为自己没有干不了的——事事一帆风顺——“大炮”！
选举开始还比较顺利，大家都同意孙中山当总统。选举后，孙中山本来打算很快回广州，在起义前不准备再来香港，所以他要杨衢云负责香港方面的工作。杨也答应。
不料事隔一日，情况突然发生变化。据陈少白在《兴中会革命史要》里回忆：杨衢云突然提出要把总统一位让给他。
孙先生听到这几句话，觉得事情还没有开始，同志间就发生地位之争，非常痛心，精神上就受了一个很大的打击。所以就约了我同郑士良三个人，开一个会议。郑士良听到孙先生说明上面的事情，他就说：“这是不能答应的，我一个人去对付他，我去杀他，非杀他不可。”当时我就说：“这是不对的。杀了他，在香港就出了人命案件，我们还能起事吗？照我的意思，我们先去省城办事。办成功那就没有问题了；办不成功，随便什么人作总统是没有关系的。”孙先生就依照我的意思，在当天晚上，再开一次联席会议，出席的人中还有一个英国人和一个美国人（系化学师），是孙先生由檀香山约来的。在会议席上，孙先生就自己提出来，把总统的名义让给杨衢云。
无论如何，孙中山还是以革命利益为重，让出了“总统”职位，这也是他人生的第一次让位。其实从实力上看，孙中山也有他的让位考虑：杨衢云手握起义运动的经济大权，他的经费来源主要是黄咏商和余育之两人所捐，余与黄都是支持杨衢云的人；相比之下，孙中山等人所得甚少。这样广州起义的经费不得不依靠香港杨衢云方面。另外，杨衢云不但掌握经费，还负责起义的诸多工作，征募部队、密购枪弹等。这也是孙中山不欲与杨起纠纷的原因。
杨衢云回香港后一直积极作起义准备工作，寻找敢死队队员。但就在起义前一天，出了意外。
得到“总统”名义的杨衢云在香港先组织了一个小分队，名为“总统卫队”，卫队成员与其他领队待遇一致，此举导致领队们心存不满，认为杨衢云有失公正——卫队配备的武器精良，而他们的配备有好有坏，于是要求更换，否则晚上不带士兵上船。此时，杨衢云已无时间满足这些领队的要求，于是急告广州方面，要求延期两天行动。
10月26日，预定的起义日，孙中山接到香港方面无法按时前来的电报。陈少白回忆：
……到初九日（26日），天还没有亮，我就起来，马上跑到农学会，等了好久，并没有消息。绿林首领、军队首领、民团首领等都来讨口号等命令，而孙先生却还没有来。本来香港船在早晨六点就应该拢岸了，我们一直等到8点钟，才见孙先生行色匆匆地拿了一个电报来，一看是杨衢云打来的。电报上说：“货不能来。”我就同先生商量这事怎么办呢？我说：“凡事过了期，风声必然走漏，再要发动一定要失败的。我们还是把事情压下去，以后再说吧！”孙先生也以为然。一方面就把领来的钱，发给绿林中人，叫他们回去再听命令，同时马上打电报给杨衢云，叫他“货不要来，以待后命”。
原来的起义部署被完全打乱，缺乏香港方面的力量，冒险举兵起义，难以保证起义得到成功；孙中山只好采纳暂缓行动的建议，于是党员急起而消灭种种形迹，毁文籍、藏军械，以保存力量。同时，打电报给杨衢云，让他们暂时不要来广州。
其实在此之前，起义计划已遭到告发。而告发之人，正是起义领导人之一朱淇的哥哥朱湘。朱湘是位清末举人，任广州西关清平局书记。朱淇是兴中会骨干，为起义起草讨满檄文及安民布告，而起义前两天，碰巧被哥哥朱湘看到。他唯恐受到牵连，就假借朱淇名义向省河缉捕统带李家焯告密。李得报后一面派人监视孙中山，一面向两广总督谭钟麟报告。岂料，谭钟麟并不相信著名医生孙逸仙会造反，反而哈哈大笑说，“孙乃狂士，好作大言，焉敢造反”，坚决不肯相信。惮于孙中山是位名医，又是基督徒，李家焯一时也不敢轻举妄动。
另一边，杨衢云在香港的筹备活动也已经暴露。10月27日，巡官斯坦顿获悉有人雇用约400名战士，乘“保安”号夜航进入广州。斯坦顿马上将情报电报给广州政府。清总督府接电报，立即组织1500多名清军进入广州城内，开始了大搜捕，广州城内的农学会、王家祠等起义的指挥机关都被清军查获。
10月28日凌晨，当“保安”号开抵省河时，清兵已派兵在码头守候搜查。船上虽有起义军400多人，但分装在7大箱的枪支和子弹都被别的货压在底下，无法取出来武装自己。邱四和朱贵全等40人被捕，后来的人因伪装及时，才躲过了抓捕。
这时的广州当局，一面提审被捕人员，一面继续搜捕起义者。在搜捕中陆皓东不幸被捕。
陆皓东原本也可以逃脱搜捕，但他担心双门底机关的会中名册被搜去，将会累及许多会员受难，于是他不顾其他人劝阻，冒险前往。名册烧掉后，他也不幸被捕入狱。南海县令李征庸遵照两广总督的命令，提讯陆皓东。当李叱令陆跪下时，陆挺立不动，并拒绝供出任何会员。11月7日，陆皓东、邱四、朱贵全3人英勇就义，程奎光受600军棍的酷刑，伤重而逝，程耀宸也病死在狱中。这5位是最早为中国革命献身的烈士，孙中山后来在自传里称陆皓东“为中国有史以来为共和革命牺牲者之第一人”。
孙中山见城内风头已紧，立即告陈少白及手下各人迅速离开广州，摆脱了盯梢的人后，他半夜砸开了早年在意奥拉尼学校时的同学家，孙中山在这里听到了他最好的朋友和同学陆皓东不幸被捕的消息，不禁痛哭失声。躲藏了三天，等清军的搜捕和戒备有点松懈下来，便化装成一个商人，与尤列等人搭乘一艘小火轮，离开广州，经顺德又到了香山县，转澳门到达香港。
1895年12月7日，清朝以重金悬赏通缉孙中山等17人，其中孙中山名列榜首。两广总督谭钟麟派人到香港要求引渡孙中山等人，香港当局判令孙中山、杨衢云和陈少白三人出境5年，此后，清政府还向亚洲、美洲、欧洲各国的清使馆发出电文通缉孙中山。
领导广州起义的时候，孙中山年仅29岁。广州起义虽然流产，但“由于先生这一次的起义，才觉醒了醉生梦死的中国同胞，这是伟大的国民工作之开始，中国民族恢复自由平等的起点，在革命史上应该占最重要光荣的一页”（胡汉民：《贯彻总理首次起义精神》）。也是自广州起义后，孙中山开始在人们的心目中成为“革命党”的代表者和旗帜。
流亡生涯被跟踪
1895年11月2日晚，孙中山与陈少白、郑士良等一起乘日本货轮“广岛丸”号启航离港，经多日颠簸航行，11月10日到达神户。
孙中山到达日本没几天，中日战争结束，两国复交，清政府驻日公使即将到任。外面风传：日本政府可能按照清政府的要求引渡革命党人。孙中山难以在日本待下去，原计划与陈少白一起去美国，但当时美国方面已下禁令，不准华人入境，美国领事也面告不宜冒险前去，孙中山说明自己是檀香山出生，获得护照。这时的孙中山已身无分文，只好向横滨兴中会的同志们借钱。有些会员面有难色，见此情况，冯镜如与弟弟冯紫珊拿出500元交给了孙中山。孙中山这样分配这500元钱：拿出100元给没有取得入美签证的陈少白，作为留在日本开展活动和日常的费用；又给了郑士良100元，派他以合法身份再回香港进行革命组织工作。其余部分作为孙中山赴美经费。孙中山剪去了辫子，穿上了西装，留起了胡须，有人说这时的孙中山像一个干净利索的法国人。
孙中山上了船，开始了他的第四次檀香山之行。
1896年1月，孙中山抵达檀香山后，立即前往茂宜岛看望孙眉，那时，孙母杨太夫人、孙妻卢慕贞与儿子孙科、刚出生不久的长女孙娫，已由陆皓东的侄子陆灿护送先期至檀。孙中山对一家人心怀歉意，他向哥哥报告了广州起义失败经过，孙眉鼓励他说：“这不算一回事，还应继续干下去！”这使孙中山沉重之余又感到了一些慰藉。
孙眉又拿出一部分钱给弟弟，让他作革命活动的经费。孙中山拿到钱后，第一件事就是还在日本时冯氏兄弟借的那500元钱。冯紫珊在1920年写信给冯自由时提及此事，他说当时给这500元就是想作救国牺牲，但没想到孙中山后来