清军进展缓慢，冯国璋着急了。战斗拖得越久，对他越不利。他咬咬牙，下令清军烧城。11月1日上午，清军不顾汉口居民的生命财产，火烧歆生路一带房屋，烧一段进一段，一直烧到长江岸边。繁华的汉口市区顿时湮没在一片火海之中。火光冲天之际，汉口专职救火机构保安会和热心市民，急忙上街灭火。清军看到有人救火，丧心病狂地开枪射击，当场枪杀了不少百姓。在火魔面前，汉口革命军阵地正面及左翼的部分军官兵失去了勇气，擅自撤退。下午，汉口市区逐步为清军占领。黄兴见汉口革命军已被打散，无法挽回败局，遂决定退守汉阳，等待援军，再图恢复。11月2日，汉口完全失陷。
清军攻占汉口后，一面巩固阵地，一面调运枪械弹药及渡河器材。一列列火车源源不断地将援军运来。冯国璋召开军事会议，决定乘胜进攻汉阳，再攻武昌。当时，他手头有清军约三万人。不过，协同作战的海军各舰中下级官兵倾向革命。提督萨镇冰感叹自己“屡历战争，从未一获胜”，如今又不愿意将炮口对准无辜百姓和革命同胞。经历一番心理纠结后，萨镇冰率舰队在11月1日驶离战场东下。
如果说冯国璋只知道攻城略地，那么袁世凯则考虑得深远得多。他面对的湖北军政府是多方力量构成的混合体，立宪派的势力强大。如果能不战而屈人之兵，就最好了。11月10日，袁世凯派亲信到武昌进行“和平”试探。袁世凯开出的和谈条件是南北停战，清廷施行君主立宪，湖北方面效忠朝廷。黎元洪对和谈很有兴趣，对君主立宪也可以接受，但革命党人拒绝效忠朝廷。民主共和必须实现，皇帝必须废黜，革命党人是朝着这个目标进发的，而且抛头颅洒热血已经取得了不小的成果，怎么愿意自动放弃呢？是的，革命军现在是失利了，遇到困难了，但革命党人相信困难是暂时的。湖北军政府拒绝了袁世凯的和谈试探。袁世凯诱和不成，放手让冯国璋积极备战，进攻汉阳。
汉口失陷后，军政府固守汉阳的力量不够，电请独立各省出兵增援，合攻清军。11月8日，都督黎元洪仿照西汉韩信登坛拜将的往事，拜黄兴为总司令。（革命党人在都督和总司令的上下级关系问题上颇费了一番周折，有人提议总司令位在都督之上，全权指挥湖北军事。他们对黎元洪不放心，企图借此掌握大权。但黎元洪和军政府中的其他人纷纷反对，最后采取了都督授命总司令的方法。）黄兴受命后，立即赶到汉阳，在昭忠祠组织司令部，积极布置守城事宜。汉阳原本的驻军逃往湖南了，黄兴掌握的军队只有退驻汉阳的不足5000人的革命军，加上武昌调来的步兵第六协，共约万余人。恰好，湖南独立后派来的援军王隆中、甘兴典两个步兵协在11月6日、9日先后抵达汉阳。黄兴掌握的兵力增至二万余人。
独立省份的数目在迅速增长，各地纷纷告诉湖北，援兵已经在路上了。汉阳的防守兵力将会大大增加。黄兴对军事形势盲目乐观，做出了错误判断。他对汉口失陷，耿耿于怀，得到湖南的援军后，黄兴产生了急于收复汉口的思想。革命军内部多数人反对反攻汉口。他们认为革命军新兵太多，缺乏训练，而且援兵和本地士兵磨合尚需时间，不宜马上反攻。黄兴坚持反攻汉口，先发制人来打乱清军的进攻计划。
11月16日下午5时，革命军工程营在汉江上架桥，革命军的反攻开始了。当晚10时，主攻部队陆续渡河，抵达预定地点。清军猛烈射击，给反攻部队造成很大伤亡。渡河的部队无法有效展开，只能停止反攻。第二天早晨，革命军再次反攻。湖南援军两个协和武汉革命军第五协担任主攻部队，勇敢推进，清军不支而出现后撤。上午9时许，主攻部队在汉口江边收复了不小的地区。黄兴下令步兵第四协和第六协渡河，攻击清军左翼，以收夹击之效。但这两协在渡河时，遭到清军机关枪猛烈扫射，抢渡未成。攻入汉口的主攻部队失去了有力支援。而清军的援兵源源不断涌来，在炮火及机枪火力掩护下猛烈反扑。主攻部队出现退却，牵动全线。黄兴严禁退却，但部队在巨大压力面前都不听命，不断地后涌。沿途在清军的强大火力下，革命官兵伤亡惨重。黄兴不得不率军返回汉阳。
在反攻行动中，黄兴令标统杨选青由汉阳渡江到汉口龙王庙，作为反攻汉口的助攻。16日晚他竟然在家结婚，没有亲往前线指挥。战后，军政府将杨选青正法。杨选青是原29标的老革命党人，是10月10日当晚手持汽油桶火烧总督府衙门的敢死队员之一。军政府念他起义有功，安排上等棺木收殓。
黄兴所坚持的反攻汉口的行动，非但没有达到目的，还严重削弱了汉阳的防守力量和士气。返回汉阳后，黄兴部署防备清军的进攻。清军的部署是正面部队发动佯攻，另派出大批清军从孝感、新沟南下，迂回侧击汉阳，这支部队才是攻取汉阳的主力。黄兴对清军的部署做出了错误的判断，他认为正面是敌人的主攻方向，对于侧击的大批清军认为是牵制部队，没有给予足够重视。他整顿革命军在正面迎战，只派少数部队防备清军主力。清军于11月20日向汉阳发起进攻。侧击的清军进展迅速，控制了汉阳周围的制高点。革命军反攻争夺这些制高点，反酿成更大的伤亡，最后竟至无力反攻。有经验的老兵、能战的敢死队，死伤殆尽。26日，革命军防线最终被突破。这时，驻汉口的清军从正面渡过汉水，发起进攻。革命军腹背受敌，不听黄兴号令，纷纷撤退。增援的湖南部队，一协退往武昌，另一协自动撤回湖南。黄兴见败局已定，含泪下令撤退。
汉阳最大的战略目标是汉阳兵工厂。黄兴下令将兵工厂的武器弹药运往武昌。26日下午，汉阳兵工厂凡是能够拆掉的设备、要件，凡是能带走的图纸、工具，凡是能够离开的工人、技师，都撤向武昌。汉阳的归元寺是战时军用物资供应站，名为“总粮台”。部分僧人和浙江僧人管锷领导的“和尚军”还参加了武汉保卫战。其余僧人也支持革命。26日归元寺接到命令：凡是寺内不能搬走的屋子，立即焚毁。僧人们大公无私，同意焚烧寺庙。一时间，归元寺火光冲天，照遍汉阳全城。
当革命军和汉阳百姓乘船向武昌撤退时，清军从龟山向江中开炮。当时《民生报》报道说：“武昌城外，由江中捞出之死尸陈列堤上，不计其数。内有未死而呻吟者，有妇人抱子，母死而子苏，啜泣索乳者，血溅江边，死者相枕藉。”惨状不忍目睹。部分革命军没能渡江，向鹦鹉洲方向退却，以后辗转到大冶一带，因为无人统帅又没有接济，自行离散。
27日，清军进据汉阳城。清军连战连捷，袁世凯为此积累了新的政治资源，在前线实际指挥的冯国璋获封二等男爵。
革命军渡江撤回武昌，溃兵空腹荷枪，编制也被打散了，踯躅街头。大街上满是焦头烂额的游兵散勇，老百姓惊恐不安。武汉三镇百姓悲痛异常，大街小巷一片寂静，人力车停止上街，商户关门歇业，小贩呆滞路旁，迷茫和悲痛之情笼罩全城。军政府的张振武忍住悲痛，骑马举刀，在城内沿街呼号：“同胞们，汉阳失守是我军疑兵之计，千万不要听信谣言。”武昌的人心这才稍微安定下来。
武昌形势危急，清军已对革命军造成压顶之势。军政府紧急商议对策，黄兴主张放弃武昌，增援南京。当时南京还在清军手中，江浙联军正在浴血奋战。黄兴觉得南京远比武昌重要，可惜军政府绝大多数人反对弃守，认为武昌是首义之区，天下关注，如果武昌失守，必然动摇全局。张振武对黄兴放弃武昌的发言非常气愤，大声喝责。会议不欢而散。散会后，黄兴找到黎元洪，坚持要东下南京。他向军政府领了20万元现洋，27日晚脱离部队乘船东下。
湖北军政府整军坚守武昌。11月29日到12月1日，清军架在龟山上的大炮一连三天不停地向武昌城内射击。百姓伤亡和房屋损失不少。武昌凤凰山、蛇山、黄鹤楼上的炮兵也向汉阳方向还击。长江两岸炮声隆隆。武昌城内百姓，拖儿带女，争相出城逃避。12月1日，清军集中炮火攻击都督府。下午1时都督府军服室中弹起火，黎元洪仓皇出城，逃往郊区的葛店。黎元洪潜走后，武昌危城全靠蒋翊武、吴兆麟支撑。
客观的说，清军如果一鼓作气猛攻武昌，胜算很大。冯国璋也这么想，他迫切要锦上添花，将二等男爵再往上提一下。可袁世凯不这么想。飞鸟尽良弓藏走狗烹，武昌的革命党人就是飞鸟，袁世凯就类似良弓和走狗。袁世凯不希望武昌革命党人被铲除，他需要用革命党人的存在时刻提醒朝廷危险的存在，他需要热气蓬勃的革命形势来映衬他的重要性。革命军被压缩到武昌，袁世凯已经立功了，不必将革命军斩尽杀绝。那样无异于杀鸡取卵。于是，袁世凯通过英国领事联合各国领事，向军政府提议停战三天。停战对革命党人有利，蒋翊武、吴兆麟等人非常愿意。只要双方在停战条款上盖印，即可停战。然而，当时都督印信已被黎元洪带走了，要签署议和协议，黎元洪不在怎么办？没有印怎么行？于是，吴兆麟急中生智，编出黎元洪不在的理由，然后又拉英国领事“赴宴”。暗地里，他连夜通知孙武刻印，终于签署了协议。革命军得以喘息，湖北军政府扎下根来。
此后停战期限一再延期，实际上武汉再无战事。
孙先生来了！
革命爆发后，各地独立政权虽然都挂以“革命”或“民国”名义，也一起打仗，但各自为政，相互间并无隶属关系。独立之后，各地就酝酿成立统一的政权。而对革命的认同，就成了大家统一政权的思想基础。
各地独立政权中的政治力量非常复杂。立宪派、旧官僚掌握着不少独立政权，他们希望染指新的中央政权。而在革命阵营中，同盟会和光复会之间也发生了激烈的冲突。上海都督陈其美就是排挤了光复会的李燮和才掌握上海政权的。然而，光复会在浙江光复、攻克南京等事上屡见战功，革命军中也有不少光复会军官。陈其美和李燮和之间明争暗斗不断，连带造成了光复会的章太炎和孙中山、黄兴之间的对立情绪。
此外，武昌和东南地区之间还争夺起中央政权的地位了。光复后的上海抢先呼吁组织各省都督府会议。江苏、浙江和上海三方都督先派代表，其他各省都督大多委派在上海的名流为代表。到11月15日为止已有10省代表报到，各省都督府代表联合会在上海正式开幕。湖北方面则坚持武昌是首义之地，更适合举办各省代表大会。各省都陷入了两难，两边都不能得罪，只好两边都派代表。11月底，11省共23名代表先后抵达武汉。当时正值汉阳失守，清军隆隆炮击武昌之际。代表们临时选在汉口英国租界开会，主要讨论两个问题：第一是组织中央政府；第二是选举领导人。湖北军政府对会议施加了巨大的影响，会议初步认定湖北军政府是中央政府，请黎元洪以大总统名义执行中央政务。当然了，这些都是暂时的。各省的立宪派和旧官僚们想的是要尽快和平地结束战争，建立新的中央政府，这样才能保住他们已经得到的权力和地位。他们看中的是袁世凯，认为他是能和平实现权力交接的最合适人选。袁世凯是汉人，符合“排满兴汉”的标准，而且袁世凯控制的北洋军如果能反戈赞成共和，清廷就失去了武力支柱，马上会土崩瓦解。因此他们倾向说动袁世凯反正，快速、和平地实现政权更迭。12月2日，汉口的各省代表通过了“虚席以待袁世凯反正”的决议案。
也就是在决议通过的12月2日，南京光复。南京在代表们心中的地位，可比武昌高多了。而此时湖北的军事形势每况愈下，武昌事实上已经成了一座危城，无力与南京争夺临时中央政府地位。湖北军政府的诸位，不再提武汉是“革命中心”这回事了，之后政治重心逐渐向南京转移。
12月4日，上海抢先采取行动，邀请各省留沪代表举行会议。会议暂定以南京为临时政府所在地，并推举了大元帅和副元帅作为临时的革命首领。黄兴以16票当选为大元帅。章太炎站出来说：“黎先生究系首难的人物，不可辜负他。现在大元帅既选定，请设一位副元帅，并选取黎先生任之。”于是，各省代表再以15票选举黎元洪为副元帅。这是陈其美、宋教仁等人预想的结果，他们不愿意同盟会领导权旁落。但黄兴遭到了湖北、浙江军界的反对，各方对上海另立各省代表大会选举首领也颇有微词。在这种气氛下，黄兴不愿意就任大元帅，并推荐黎元洪为大元帅。无奈，各省代表移驾南京，再次开会推举黎元洪为大元帅，黄兴为副元帅。
正当革命阵营内部在领袖问题上进退维谷的时候，传来了孙中山归国的消息。
孙中山是在美国丹佛正为革命前途忧郁的时候，从报纸上得知了武昌起义的消息。多年的流血牺牲，终于把清朝统治打开了一个豁口。孙中山预计这个豁口会越来越大，终将推倒整个清朝统治的大坝。由于对国内形势非常乐观，孙中山决心在回国前先给革命党人做一圈外交活动，“决先从外交方面致力，俟此问题解决而后回国”。所谓的外交，主要是为即将诞生的民国政府争取西方列强的支持。孙中山通过美国人咸马里与四国银行团商谈停止对清朝政府的贷款，同时希望向新中国放贷。四国银行团的答复是，这两件事情需要等新政府正式成立后和政府磋商，拒绝将孙中山作为谈判对象。在伦敦，孙中山委托维加炮厂经理向英国外交大臣格雷交涉，提出英国政府停止对清朝政府的一切贷款、制止日本援助清政府、取消英国政府和英属殖民地对自己的放逐令以便回国等三项要求。对于孙中山的三项要求，英国政府采取了太极手法，既不答应，也没有反对。孙中山很快就感觉到了英国政府虚与委蛇的态度，感叹“个人所能尽义务已尽于此矣”，于是从伦敦取道巴黎归国。
出师不利的残酷现实并没有打击孙中山的乐观情绪。在伦敦，孙中山拜访吴敬恒未遇，留条说：“近日中国之事，真是泱泱大国民之风，从此列强必当刮目相见，凡吾同胞自当喜而不寐也。今后之策，只有各省同德同心，协力于建设，则吾党所持民权民生之目的，指日可达矣。”喜悦之情溢于言表。
