黄兴这一路从小东营的指挥部到总督衙门的路并不长，不到500米。傍晚的街头，行人也不多。广州人看到角落里吐出杀出一队拿枪持弹的年轻人，纷纷躲避。黄兴把队伍分为前后两队，自己和喻培伦率领前队人马，迅速杀向督署。徐维扬率领后队掩护。总督衙门正面有张鸣岐卫队数十人守卫。林文和两三个同志冲上前来，扔出炸弹一阵猛击。卫兵们猝不及防，被炸死多人，幸存的人慌忙逃入衙内，依托门房、廊柱负隅顽抗。黄兴的前队一时无法从正门攻入，和清兵展开了枪战。督署门前地形空阔，没有遮挡物，起义者躲在两个大石狮子后面与敌人对射。付出了很大的伤亡后，黄兴带领十几人从西边侧门强行攻入；前队的其他人在喻培伦的率领下，把督署的围墙炸了个大洞后，也冲入衙门内。不久，徐维扬率领的后队人马杀到了，与督署正面残存的清兵遭遇，经过激烈的枪战后也成功杀入总督衙门。只听着总督衙门内杀声雷震，子弹横飞，硝烟弥漫，“枪声喧于急雨，弹烟浓于乱云，喊呐崩天，血花溅地，此惫彼兴，前仆后继”。
两广总督张鸣岐不等起义者杀到，就已经翻窗爬墙，仓惶逃入水师行台和李准会合。惊魂稍定，张鸣岐即命李准调集部队镇压起义。
黄兴等人基本控制总督衙门后，遍寻张鸣岐不见。进攻的目标不见了，又不知道其他各路同志的进展，怎么办？空空如也的总督衙门不宜久留，黄兴迅速决定撤离。有人放了一把火。火光中，大家重新杀出衙门。沿途还有清兵射击起义者，黄兴双手持枪和同志们一起奋勇击退残敌，成功地从正门冲了出来。
一行人冲到东辕门，遭遇了李准派过来的一支清军。林文之前听说有许多清军官兵倾向革命，便上前高呼：“我等皆汉人，当同心戮力，共除异族，恢复汉疆，不用打！不用打！”话音未落，回应林文的是敌人的一阵子弹。林文击弹倒地，当场牺牲。刘元栋、李炳辉等五人也相继中弹。黄兴右手中指的第一节和食指的第一节都被打断，他忍痛用断指反击。双方胶着僵持，起义队伍如果和清兵纠缠下去，势必遭遇各处清兵的合围。黄兴果断命令大家脱离战斗，将所部分为三路分头行动。其中喻培伦、徐维扬等两路人分别去接应新军或者进攻督练公所；黄兴自率方声洞、朱执信等出南大门，接应防营入城——在起义计划中，起义军的主力原本就是清朝新军和巡防营。
广州起义发展到现在，能否成功，主要希望就看倾向革命的清朝官兵的态度了。
起义爆发后，这些革命官兵心情激动。可惜的是，多数人的武器在起义前被清政府收缴了，还有许多人因为联络不上没能参加起义。能够响应起义的清军寥寥无几。
李准调入城内的巡防营哨官温带雄是同盟会员。事先，他与黄兴约定在起义之日以保卫水师行台为名，活捉李准，响应起义。双方秘密商定，起义的清军臂佩白手巾作为标记。27日起义枪声打响时，温带雄和他的部队正在吃晚饭。巧的是，水师提督李准传令该哨前去保卫行台。温带雄迅即扣留传命之人，宣布起义。他率全队官兵，整装冲向行台，准备捉拿李准。因为怕恐途中遇到清兵阻碍，温带雄和起义官兵们手臂上并未缠上白巾。更巧的是，这支起义的清军在南大门遭遇了黄兴、方声洞、朱执信等人。双方因为误会，发生了鏖战！
黄兴这一路本是为了接应起义的巡防营的。结果，方声洞看到一支没有缠白毛巾的清军队伍冲了过来，误以为是镇压起义的顽固官兵，举手就是一枪，恰恰击毙了领导起义的温带雄。起义的巡防营官兵见首领被杀，纷纷反击，击毙了方声洞。两支革命队伍越战越激烈，在南大门一带死战。此情此景，令人至为痛惜。
黄兴的队伍与温带雄的队伍在内讧中战死多人。黄兴的队伍伤亡惨重，队伍被冲散了，各自为战。黄兴独自一人藏在附近的一家洋货店里，以门板作掩护，坚持枪战。而起义的清军官兵在温带雄死后，群龙无首，最后各自散去。
天色已晚。喻培伦、徐维扬等人的队伍也与清军展开巷战，逐渐陷入困境。他们转战于广州的大街小巷，对抗越来越多的清军，寡不敌众。最后，喻培伦、徐满凌、李德山、林盛初等人退入高阳里一家米店。起义者将米包垒成掩体，与清军激战一昼夜，击退清军数次进攻。血战中，米店周围留下了许多清军的尸体，革命者韦统铃、韦统淮、韦树模等也不幸中弹牺牲。战到最后，清军不能近前，还是张鸣岐下令泼油烧街。一时间火光冲天，浓烟滚滚。坚守在米店中的十几位起义者或者死于烈火浓烟之中，或者在烟雾中突围被击毙，或者在突围中被抓。牺牲者中，广西来的韦树模、韦统铃、韦统淮、韦荣初四人为族兄弟，都是太平军后代。米店战斗停歇，标志了本次广州起义以失败告终。
喻培伦参加了米店的激战。他杀得性起，挂着一筐的炸弹，只身冲向敌阵，一边高喊杀贼，一边抛掷炸弹，吓得清军慌乱躲避。在烈焰的映衬下，喻培伦“容色威猛，若能吃生人者”。最终他因负伤被俘遇害。就义前，喻培伦还慷慨高呼：“学说是杀不了的，革命尤其杀不了！”年仅25岁。
徐维扬在危急中，让受伤的徐佩旒等6人潜伏回乡里养伤，自己继续杀敌，最终杀出重围，成功逃出了广州城。奉徐维扬命令扶伤回乡休养的六人，分别是广东花县农民：30岁的徐佩旒、30岁的徐廉辉、29岁的徐应安、24岁的徐昭良、20岁的徐保生和28岁的越南华侨徐松根。他们沿着粤汉铁路慢慢行走，走到江村高塘火车站附近铁路桥时，忽遇敌兵。当时，六名革命者弹尽人伤，无法迎战，不幸全部被捕，送到水师行台后英勇就义。
许多起义者知道广州巡警教练所里有同志，所以在失败后跑到教练所去寻求避难。所长夏寿华见状，急中生智，将教练所的学生制服都取来，向起义者们说：“你们这些学生，还不快些穿好军服出去巡逻？”起义者们立即领悟，赶紧改换装束，扮作巡警学生出巡，分别脱离了危险。
包括林觉民在内的43名起义者被捕。混战中，林觉民被一颗子弹打中腰部，扑倒在地。他扶墙挣扎着起来，举枪还击，最后因伤瘫倒在墙根而被俘。被俘后，林觉民滴水粒米不进。
在总督衙门的审讯中，林觉民不会说广东话，用英语回答问题。他慷慨陈词历数清廷的腐败、宣扬民主自由思想。主审的李准为林所折服，准许去掉林觉民的镣铐并给他座位坐下，准备好纸墨，让他书写供状。林觉民提起笔来，想到起义失败，胸中充满愤激之情，竟至捶胸顿足。一度，林觉民想吐痰，李准竟然亲捧痰盂过去。在“供状”中，林觉民奉劝清朝官吏洗心革面，献身为国，革除暴政，建立共和。张鸣岐亲自阅读了林觉民的“供状”，叹道：“惜哉！此人面貌如玉，肝肠如铁，心地如雪，真奇男子也！”一个幕僚哈腰低语：“确是国家精华，大帅是否要成全他？”张鸣岐正襟危坐，说道：“这种人留给革命党，岂不是为虎添翼？”于是，张鸣岐下令处决林觉民等“顽冥不化分子”。
几天后，林觉民坦然迈进刑场，从容就义，年仅24岁。
不久后的一个清晨，福州林家的门缝里被人塞进林觉民的遗信。陈意映在那一条方巾上看到：“意映卿卿如晤：吾今以此书与汝永别矣！吾作此书时，尚为世中一人；汝看此书时，吾已成为阴间一鬼。……吾至爱汝！……吾居九泉之下，遥闻汝哭声，当哭相和也。吾平日不信有鬼，今则又望其真有。今人又言心电感应有道，吾亦望其言是实，则吾之死，吾灵尚依依旁汝也，汝不必以无侣悲！”一个月之后，陈意映早产，两年后抑郁而亡。
起义失败后，负伤的黄兴在珠江河畔辗转。他想呼唤渡船去南岸，因为语言不通未能如愿，又忘记了附近革命党机关的门牌号码，仅记得是假托胡姓人家娶亲的。茫茫夜幕中，他摸索到一户门上有红色对联的喜庆人家，冒险叩门而入。可惜革命同志不在，仆妇不让他进入，黄兴请求了好一会才放他进去。驻守这处机关的是女同盟会员徐宗汉。徐宗汉，生于上海，在槟榔屿加入同盟会，在广东组织广州同盟会分会。她参与了广州起义的筹划，带领亲友将枪械弹药秘密运进广州分发给同志们。徐宗汉回来后，赶紧为黄兴做了包扎，并在第二天护送他出城。
第二天，在广州城门口，乔装打扮的黄兴遇见了率领300多名同志风尘仆仆赶来的赵声。昨日，同志们的鲜血染红了广州街巷，一切都已不可挽回。黄兴和赵声唯有抱头痛哭。
第三天晚上，黄兴在徐宗汉亲自护送下，乘轮船潜回香港就医。黄兴有一根手指将断未断，十分痛苦，需要动手术。徐宗汉以黄兴妻子的名义签字，又在医院悉心照料黄兴。黄兴出院后，两人结为夫妻。
起义的失败对赵声打击尤其巨大。赵声悲痛过分而病倒，仍然扶病赶赴顺德，谋划再次起义。革命党事先联络了广州周边的会党相助，广州城内大乱时，周边会党也闻风聚集。但是李准迅速调集兵力，加以驱散。赵声再次起义的计划失败，擎枪自杀，幸亏被同志阻止。此后，赵声郁郁寡欢，回到香港，大病一场。5月初，赵声腹痛不止，经诊断是盲肠炎，非割不治，手术时发现赵声肠有腐烂，血黑。术后，赵声口吐紫血，坚持到5月17日午后，回光返照。他勉励身边的革命同志坚持到底，并吟诵“出师未捷身先死，长使英雄泪满襟”之句，泪随声下。同志们受他感染，悲伤流涕，不想赵声突然张目喊道：“吾负死难诸友矣！雪耻唯君等。”说完，他闭眼流泪不已，此后不能再说话了。18日下午一时，赵声逝世，年仅32岁。
4月27日的起义，随黄兴出发的有130多人，此外从各处自发出来参加战斗的队伍有数股之多，又有反正的清朝官兵，具体人数无法统计。生还者寥寥可数。牺牲的革命者尸体，多数横陈街巷，没人收敛。5月1日，两广总督衙门通知地方各善堂出面收拾各处起义者尸体，共收集72具烈士尸体集中于谘议局门前旷地。但是，就义的革命志士绝对不止72人。
怎么安葬这些尸体呢？广州所属的南海、番禺两地县令商议，葬于臭冈。城内没有暴露身份的同盟会会员潘达微闻讯后，心急如焚。因为臭冈是掩埋死囚尸骨的地方，让革命志士与作奸犯科的盗匪恶棍地下共处，简直是污辱革命名声，有负志士的牺牲。潘达微冒着生命危险，多次哭诉于广仁善堂，动之以情，晓之以理：“诸义士为国捐躯，纯未（为）国民谋幸福，彼此均为国民一分子，如此藁葬，心实难安。”善董们受到感动，向衙门通融，得到允许，将起义者尸骨葬于红花冈。潘达微又以“红花”不雅为由，改名为“黄花冈”，取黄花晚节之义。由此，本次广州起义又被称为“黄花冈起义”，牺牲者有了专门的名字：黄花岗烈士。
27日下午劝阻起义的谭人凤在起义前被护送到安全处隐藏了起来。几个小时后，与他站在同一屋檐下的那些年轻的生命，纷纷陨落。这些志士都是同盟会的骨干、精英，本是未来中国的栋梁之才。谭人凤痛哭流涕：“是役也，死者七十二人，无一怯懦士。事虽未成，而其激扬慷慨之义声、惊天动地之壮举，固已碎裂官僚之胆，震醒国民之魂。”孙中山先生在《黄花岗烈士事略序》中如此评述本次起义：“吾党精华，付之一炬，其损失可谓大矣。然是役也，碧血横飞，浩气四塞，草木为之含悲，风云因而变色。全国久蛰之心，乃大兴奋，怒愤所积，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。”
盼来的竟然是皇族内阁
革命如潮水般汹涌，清廷不能无动于衷了。官府的主要对策仍然是用缓慢的“预备立宪”来对抗革命，如今的应对之策只能是加快立宪的步伐。载沣等人以为如此就能阻挡革命浪潮。
即便到了这个时候，清廷所释放的“宪政诚意”还是异常有限。广州起义发生的第二个月（1911年5月8日），清政府宣布裁撤原先的权力核心军机处，建立责任内阁——这是开明官僚和立宪派们之前疾呼力争的。
因为没有国会，所以这个责任内阁不可能是选举产生的，而是由朝廷指定的。内阁设总理一人，协理二人，分为十部，每部设大臣一名。一共十三名大臣组成了责任内阁。具体名单如下：总理大臣是庆亲王奕劻（宗室），协理大臣（副总理）分别是那桐（满族）和徐世昌（汉族），外务大臣梁敦彦（汉族），民政大臣肃亲王善耆（宗室），度支大臣载泽（宗室），学务大臣唐景崇（汉族），陆军大臣荫昌（满族），海军大臣载洵（宗室），司法大臣绍昌（宗室），农工商大臣溥伦（宗室），邮传大臣盛宣怀（汉族），理藩大臣寿耆（宗室）。
载沣集团本想通过责任内阁来显示朝廷对宪政的“理解”和立宪的“诚意”，却在这份名单中暴露了他们的专制欲望和对宪政的侮辱，起到了相反的效果。
首先，内阁掌握在清朝皇室成员手中，从根本上违背了宪政的本意。
责任内阁设立的目的就是限制皇权，皇室设立内阁就是对皇权的自我限制。因此，“皇室成员”不进入内阁是个不成文的规矩，或者说是常识。人们分析新内阁的13名大臣，发现满族占了9名，汉族只有4名。而在9名满族大臣中又有7人是皇室成员。皇室成员在内阁中占据数量上的绝对优势，总理大臣又是庆亲王奕劻，实际上整个内阁都是由皇室成员把持着。人们很自然将这个内阁讥讽为“皇族内阁”。
其次，内阁成员几乎都是老官僚，是之前执政班子的延续。
总理奕劻之前就是领班军机大臣，如今平稳“过渡”为新内阁的总理。他头脑中有多少新思想，对宪政有多少了解，非常可疑。其他人，如溥伦、载洵等，也不是支持民主、推动宪政的人物。荫昌则是载沣用来控制军队的人选。我们再来看来其他大臣的情况：
那桐，1856年生，满洲镶黄旗人，叶赫那拉氏。他举人出身，沿着传统官僚的成长道路一步步得到提升，之前也是军机大臣，如今“过渡”到新内阁中来。如果说他和其他传统官僚有什么不同的地方，那就是他参与了《辛丑条约》的谈判，之后负责过外务部，对外交事务有所了解。但是对外部世界和民主共和，他也仅停留在了解的程度，要他赞同民主共和，那是万万不可能的事情。