1911年12月21日，孙中山抵达香港。广东都督胡汉民和廖仲恺等到香港迎接，与孙中山讨论起国内形势与应对措施。孙中山一心去上海。但是胡汉民不主张孙中山去上海。因为上海和武汉等地的革命党人就首领职位问题争论不休，且革命阵营内部纠纷不断，如果孙中山去了上海或者南京，虽然会被拥戴为总统，但手下无兵，号令难行，不会有所作为。胡汉民建议孙中山逗留在广州。岭南革命气氛浓烈，同盟会掌握政权，孙中山可以以广东为根据地，整顿军队，循序北伐。满心喜悦的孙中山认为胡汉民的建议过于保守，坚持去上海，还要胡汉民跟着自己一起去。他说：“以形势论，沪、宁在前方，不以身当其冲，而退就粤中，以修战备，此为避难就易，四方同志正引领属望，至此其谓我何？”他急切要去前方领导军民，同时针对胡汉民对袁世凯的担心，说：“谓袁世凯不可信，诚然，但我因而利用之，使推翻二百六十余年贵族专制之满洲，则贤于用兵十万。……我若不至沪、宁，则此一切对内对外大计，决非他人所能任，子宜从我即行。”胡汉民说服不了孙中山，只好放弃广东都督不做了，委托陈炯明代理广东都督，跟随孙中山同船赴沪。
别人是近乡情更怯，孙中山却是越接近革命前线越乐观。尽管共和国还停留在计划之中，有一大堆破旧立新的事情需要处理，但孙中山跃跃欲试，说：“现在各国政府士大夫，均望文速归，组织中央政府。此事一成，财政外交皆有头绪。此外问题，亦因之迎刃而解。”早在巴黎，孙中山就向国内《民立报》发电转呈军政府，建议早日确定总统。电报说：“文已循途东归，自美徂欧，皆密晤要人，中立之约甚固。……今闻已有上海会议之组织，欣悉总统自当选定黎君，闻黎有拥袁之说，合宜亦善。总之，随宜推定，但求早巩固国基。满清时代，权势利禄之争，我人必久厌薄。此后社会当以工商实业为竞点，为新中国开一新局面。至于政权，皆以服务视之为要领。”当时独立的数省已经派人在上海商量成立全国政权的问题。孙中山的意见是，不管未来的元首是黎元洪还是袁世凯（当然他对自己出任总统难免也有所期许），早日把人选确定下来才是正道。
孙中山即将回国的消息经报导后，国内军民对他有很大的期望。很多人想当然认为他筹措了巨款。船到上海，孙中山刚上码头，就有记者开门见山，询问：“您这次带了多少钱来？”孙中山回答说：“革命不在金钱，而全在热心。吾此次回国，未带金钱，所带者精神而已。”大家纷纷为孙中山的革命乐观主义鼓掌。然而，“中山的好口才虽能使听众大鼓其掌，然亦显示出，在这次联合推墙的众人之中，他除声望之外，并无特殊政治实力也。”（唐德刚著：《袁氏当国》）
孙中山崇高的声望加上同盟会的组织力量，让领袖选举一事一下子简单起来。革命阵营内部没有人可以与之较量。在上海，同盟会就议定推举孙中山为总统。1911年12月29日，在南京的各省代表进行了总统选举。一共有17个省的都督派代表参加，这些省份是：直隶、奉天、山东、河南、湖北、湖南、广东、广西、福建、山西、云南、陕西、江西、安徽、四川、江苏、浙江。计有候选资格者三人：孙中山、黎元洪、黄兴。17省代表依次无记名投票，一省一票，由临时议长汤尔和（浙江）按省份次序逐次点名。开票结果是孙中山得16票，黄兴得1票。孙中山高票当选。
1912年1月1日，孙中山从上海乘坐鲜花装饰一新的火车前往南京。沿途得到了苏南各地军民的夹道欢迎，南京城几乎是万人空巷，人们涌到火车站欢呼孙中山的到来。孙中山抵达后，四周有重兵护卫，闲杂人等，一概不得上前。孙中山自花车下月台，手持平常军帽，身穿土黄色呢质军服，没有佩戴肩章金带等。出站台后，他转乘蓝色绣花彩绸马车，向总统府（原清朝的两江总督衙门、太平天国的天王府）驶去。军乐马队奏凯旋歌前导，后随卫队。总统府大门装饰醒目，电炬辉煌如白昼，用冬青树枝扎彩，衬着红色丝绸。马车队到总统府，黄兴、徐绍桢恭迎孙中山下车，一行人迎接他入府。
晚上10点，总统府灯火通明，军乐悠扬。中国历史上第一次总统就任典礼开始。
“先请大总统就位后，各部人员行三鞠躬礼，各炮台再鸣炮二十一发……大总统初临大礼堂。海陆军代表各省代表们，欢呼万岁。奏军乐毕，代表团推景耀月（山西）报告选举经过，略说：‘今日之举，为五千年历史所未有。我国所希望者，在共和政府之成立，及推倒满清专制政府，使人人得享自由幸福。孙先生为近代革命创始者，富有政治知识，各省公民选定后，今日任职。愿先生始终爱护国民自由，毋负国民期望。’并请总统宣誓，即由大总统宣述誓词如下：
倾覆满洲专制政府，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。中华民国元年元旦。
孙大总统宣誓毕，代表团景耀月授以大总统印（印文“中华民国临时大总统印”）并致颂词。
孙中山接过大印，在《中华民国临时大总统宣言书》上，庄重地盖上了第一个鲜红的、神圣的印章。
接着，胡汉民宣读宣言，海陆军将士代表徐绍桢致颂词，孙中山答词，表示要竭尽心力不辜负国民公意。代表和海陆军将士三呼“中华共和万岁”，礼成，奏乐，散会。总统就任典礼就此结束，孙中山成为临时大总统，南京临时政府成立了。君主专制制度在中国大地被推翻了。1月3日，各省代表又选举副总统。黎元洪全票当选。
南京临时政府基本由同盟会控制。政权组织原则是孙中山倡导的总统制。之前，宋教仁主张责任内阁制，将行政权交给内阁总理，以总统为虚职，被孙中山等人否决。因此，南京临时政府没有总理，由总统负责行政。内阁也由孙中山提名组织。王朝体制下的内阁组织不能适应新形势，得重新组织。原来的尚书、侍郎名称也不能用了，有人提议用“卿”来代替，因为容易让人联想起君臣公卿而被否决，最后决定新政府的长官叫“长”，正职叫“总长”，副职叫“次长”。
就职后，孙中山向各省代表提出了内阁名单。第一次提名的内阁组织和成员名单如下：陆军总长黄兴，海军总长黄钟瑛，外交总长王宠惠，内务总长宋教仁，财政总长陈锦涛，司法总长伍廷芳，教育总长章太炎，实业总长张謇，交通总长汤寿潜。但是，名单中的宋教仁和章太炎没有获得通过。于是孙中山作了修改，将内务总长换做程德全，教育总长换做蔡元培，内阁名单才被通过。
在内阁成员中，除了黄兴、王宠惠和蔡元培是同盟会员外，其他各位总长多数是立宪派和前清官员。表面看起来，临时政府中同盟会势力低落，但实际上由于临时政府成立时间短，国内事务繁乱，除了黄兴和蔡元培外，其他总长不是无法到任（比如在任都督的各位总长）、不愿到任（比如张謇，他同时“兼任”着清朝内阁的大臣），就是在外为特定事务奔波（比如伍廷芳负责南北和谈，王宠惠在上海争取外国承认），各部门实际主持工作的是次长。孙中山提名的次长名单如下：陆军次长蒋作宾，海军次长汤芗铭，外交次长魏宸组，内务次长居正，财政次长王鸿猷，司法次长吕志伊，教育次长景耀月，实业次长马君武，交通次长于右任。除了海军次长外，其他次长都是同盟会员。海军次长汤芗铭，原系清朝海军副舰长，对他的提名曾引起一场风波。汤芗铭是黄兴提议的，任命后被留学生揭发曾经在欧洲盗窃孙中山的皮包用来向清政府驻法国公使邀功。有人埋怨黄兴失察，也有人说皮包失窃一事孙中山并没有宣扬，如今又重用汤芗铭是宽宏大度的表现。因为次长实际主持工作，人们常说临时政府“部长取名，次长取实”，是“次长内阁”。在位总长和主持工作的次长全部是同盟会员，也就意味着临时政府完全掌握在同盟会手里。
陆军部长黄兴兼任了临时政府的参谋总长，协调各处军事，又协助孙中山负责人事，是事实上的政府第二号人物。而被各省代表否决的宋教仁，被孙中山任命为总统府法制局长；章太炎被聘任为总统府顾问。此外，胡汉民被任命为总统府秘书长。
以上就是中国的第一届民主政府的组成了。我们可以说它是“民主政府”，却不能说它是“民选政府”。因为它是由各省代表会议产生的。这些代表是地方都督委任的，本身就没有经过选举，再由他们投票通过的政府自然不能算是民选政府了。临时政府成立后，建立相应的最高立法机关就成了当务之急。临时政府和各省代表会议商议，决定由各省各“推举”3名参议员，到南京成立临时参议院。各省都督接到通知后，有的将原来的都督代表顺延为参议员，有的重新派出了新人。多数省份是3名参议员，少数省份只有1名或2名。1月28日，临时参议院在南京宣布成立，实际参议员只有40多人。其中的同盟会员超过了30人，控制着参议院的绝对多数。同盟会员林森担任了议长。
筹组临时政府人选时，孙中山刚从海外归来，对国内人事情况并不了解，人事安排一般遵从黄兴的意见。人事问题向来是政权的核心难题，要照顾到方方面面的利益和感受。组织政府前，湖北代表刘成禺等就向孙中山建议多照顾武昌起义的诸位将领，免得武汉方面埋怨、失望。但黄兴和武汉方面因为弃守武昌一事把关系闹僵了，不愿推介武汉人选。最终的政府中，除了黎元洪因首义名声难以忽视担任副总统外，湖北人在临时政府中没有一席之地。蔡济民、蒋翊武、孙武、吴兆麟等起义功臣都名落孙山。孙武之前公开表示想当陆军部次长，还特地跑到上海给各方面做“公关”。可黄兴就是不予考虑，后来任命的各部次长不但几乎全是同盟会员，而且大多是起义成功后从海外归国的。这让参加各省起义却没能进入临时政府的国内同志们有意见。孙武更是大失所望，一气之下跑回武昌。湖北方面和南京临时政府开始貌合神离。之后，孙武联络了失意的湖北革命党人和少数政客成立“民社”，拥黎元洪为首领，和同盟会暗中较量，埋下了民国初期种种政治纠纷的隐患。
临时政府的困境
南京临时政府成立后，推出了许多振奋人心的政策，让人耳目一新。
比如临时参议院决议五色旗为中华民国国旗。国旗的五种颜色代表汉（红色）、满（黄色）、蒙（蓝色）、回（白色）、藏（黑色）五个主要民族。临时政府强调五族共和，民族平等。孙中山曾建议用同盟会的青天白日旗为国旗，临时参议院没有达成统一，而将青天白日旗改为海军军旗。武昌起义时所用的十八星旗则成为陆军军旗。
又比如临时政府发布了一系列政策法令，废除刑讯、跪拜，严禁吸食鸦片、缠足、蓄辫等陋习；保护私人财产；宣布新闻及言论自由；废除读四书五经，推行近代教育。附着在中国人身上几千年的束缚，在理论上一下子消除了。
但是临时政府面临种种困难，运行并不顺畅。孙中山这个总统其实很不好当。
首先，孙中山两手空空，整个总统生涯一直在为“缺钱”发愁。