清廷和袁世凯讨价还价之时，湖北军政府已然决定先采取攻势。10月15日，以黎元洪名义下达攻击令。革命军第二协统领何锡蕃奉即令第三标统带姚金镛率所部先行渡江，会同驻汉口的第一协第二标林翼支部准备向清军进攻。18日凌晨3时，革命军姚金镛部和林翼支部自后城马路（今中山大道）朝歆生路（今江汉路）进发，向刘家庙发起进攻，揭开汉口之役的序幕。其时，清方仅有张彪残部、河南混成协、岳州巡防营共二千人应战。据瑞澂致军谘府电文称，已抵刘家庙的北洋军“退回不肯援应”，战事一起，即“向滠口退去”。但由于清军海军发炮轰击，革命军不支退却。清军一部尾追至市区内的大智门附近。下午三时，革命军再次发起攻势，又因清军舰炮袭，革命军退却，清军出动火车追击，革命军埋伏于铁路两侧稻田，又有多名铁路工人毁路十余丈，清军火车倾覆，革命军和四周民众齐声喊杀，一举消灭清军数百。首战告捷。
10月19日清晨，革命军步、炮、工、骑兵共三千余人，再次进迫刘家庙。清舰继续对革命军开炮，但不如前日猛烈。后革命军青山炮队轰击清舰，清舰即向下游阳逻方向驶去。没有了海军的支援，清军陆军抵挡不住革命军的攻势，四散奔逃。下午三时左右，革命军完全占领刘家庙江岸车站。清军退至滠口，在刘家庙遗弃帐棚一百四十余顶，粮食六百余石及火车头一辆，货车约十辆并山炮弹药甚多，河南混成协骑兵损失马匹百余，丧失战斗力。民军在缴获的火车头上高悬旗帜，数辆货车满载战利品，开回市区，武汉三镇商民，皆手执红旗庆贺胜利。旅汉各国侨民，赞叹革命军作战英勇，纪律严明，亦纷至祝贺。各国领事承认革命军为交战团体，并发出严守中立布告，即由此胜利而来。这便是汉口争夺战中的民军“刘家庙大捷”。是役民军阵亡一百四十八名，伤者三百余名。清军死者数百，伤者盈千。
刘家庙大捷后，湖北军政府用都督黎元洪的名义，发布文告慰劳汉口商会和同胞。
刘家庙之战获胜，革命军乘胜前进，何锡蕃以敢死队徐兆斌部为前卫，其余各部跟进。从刘家庙到滠口的铁路线，有一窄长隘路，四面是湖水，中间有三座铁路桥，京汉铁路由此通过，为军事必争之地。革命军曾两次占领三道桥，却未坚固设防，终被清军占据。10月20日上午，徐兆斌率队猛攻，行至滠口附近铁路桥北，尚无动静，徐误认为敌未设防，继续麾众而前，不料清军埋伏的机枪齐发，徐兆斌中弹退至桥上落水而亡。何锡蕃则用手枪自击左臂，托言受伤，退回武昌。前线战事由统带谢元恺代为指挥。谢虽出身旧军官，但作战十分勇敢。经过一番部署，他身先士卒，由铁路桥上纵列前进，因目标显著，损失甚大。两次进攻均告失败，前线革命军便决定筑工事坚守，兵力仍集中刘家庙一线。10月20日，革命军由武昌陆续增兵刘家庙，下午开始向刘家庙以北、滠口以南的沙口试攻，在三道桥附近，清军以玛克沁机枪扫射，革命军退回谌家矶造纸厂。10月21日，革命军越沙口铁桥。清军混成三协协统王占元收容部队，退至滠口。此时北来之清军第一军主力第四镇各标营也陆续抵达孝感——滠口一线。此时清军兵力日趋厚重，重武器也相继运至。
10月23日，清军推进至二道桥布设炮位，并以步兵两标进至造纸厂附近。革命军则于刘家庙江岸车站前挖掘战壕。当日清军发起进攻被革命军击退。
当时有一个怪现象，就是两军对垒厮杀，而不远处数万汉口居民和租界内的外国人饶有兴致地观战。当战局急迫时，很多人居民齐声为革命军呐喊助阵，有些性急者甚至赤膊上阵，协助革命军。
这一阶段革命军虽然新兵众多，缺乏训练，但凭借高昂的热情、斗志，在战场上丝毫不落下风。而清军方面主力刚刚到达，建制混乱，而且弹药、给养准备也不充分，士兵们虽然训练多年，但是绝大多数是初经战阵，而且高级军官们受袁世凯遥制，督战也不积极，因此一直采取守势。
革命军方面则攻守议论未定，而且一再临阵易将，优势逐渐丧失。何锡蕃回武昌后军政府派张景良任前线指挥官。张景良原系清第二十九标统带，武昌起义入军政府任职，旋因策反黎元洪被看管。10月中旬，张忽自请赴汉口前线杀敌，为民国立功。党人正因三道桥之役对何锡蕃不满，论旧有资历，张景良又在何锡蕃之上，见张有“报效革命”之热忱，以为可以一试。也有人怀疑张的可靠程度，最后由蔡济民出面担保。蔡在党人中威信很高，又是原二十九标的排长，大家见他出保，也就通过了。其实蔡济民对张景良并不了解，完全出于旧的上下级关系，结果铸成大错。
张景良行前，军政府颁发了简短作战命令，明文指定“张景良为汉口指挥官，率在汉所有各部队，明日准备进攻滠口之敌”张景良奉命后即赴刘家庙成立司令部，所指挥的部队除原有的以外，新增加第五协熊秉坤部。刚成立的第六协杨载雄部则接防武昌。张景良作为指挥官，理应积极筹划军事，整饬营队，侦察敌情，准备用品，而他却全不理会，对上也不反映情况，军政府有什么指示，照转而已。这一人事任命为以后的战事埋下又一巨大隐患。
10月22日湖南新军起义，宣布独立，焦达峰，陈作新任正副都督。随即派出两协部队北上支援武昌。
同日陕西独立，张凤翙被推为复汉军大统领，旋改称都督。
10月24日九江独立，新军标统马毓宝为九江军政分府都督。
10月29日山西独立，新军标统阎锡山被推为都督。
10月30日云南独立，新军协统蔡锷被推为都督。
…………
这一连串的消息对于清廷来说犹如一声声霹雳，诸位满族亲贵哪还敢讨价还价？10日27日，内阁上谕，授袁世凯为钦差大臣，湖北前线陆海军均归袁节制调遣；命冯国璋总统第一军、段祺瑞总统第二军，均归袁节制调遣。又应荫昌之请，清廷将大量弹药运往前线，并将装备最新德国造山炮的禁卫军炮营拨归第一军序列。隆裕太后还下懿旨，“着拨出宫中内帑银一百万两，由内务府拨给度支部，专作军中兵饷之用”。就在新任命命发表的这一天，北洋各军奉到袁的秘密指示，要拿点颜色给革命军看看，于是汉口的革命军便受到前所未有的猛烈的进攻。
10月26日拂晓前，革命军青山炮队瞭望疏忽，清舰得以偷人谌家矶，炮袭革命军散兵战壕，革命军牺牲五百余人。清军在海军掩护下，攻占刘家庙。清舰退走后，革命军反攻，于当日下午收复刘家庙。
27月拂晓，清军王遇甲、王占元各部乘革命军尚未出动，分三路进攻：一由滠口向三道桥，一由代家山向造纸厂，一由长江舰队攻民军右侧。革命军亦分路迎击。双方射击至为猛烈。后谢元恺率革命军反攻。这时革命军中的新兵弱点暴露无遗，他们不善于利用地形，一味露身猛冲，被清方机关枪射杀多人。革命军大炮也不如清军新型管退炮威力巨大。双方人数大体相等，而革命军武器太差，相持全赖士气。战至下午，清军用大炮、机枪掩护前进，民军奋勇抵抗，第四协统领张廷辅受伤，所部伤亡过大，被迫后退。其左翼队伍，随之后撤。虽有敢死队督阵，仍难制止。到黄昏时，革命军陆续退至大智门一带宿营，刘家庙又为清军占领。炮队第二标统带蔡德懋、敢死队队长马荣，壮烈牺牲。第二协统领何锡蕃受伤就医。炮队因无步兵掩护，大炮遗弃甚多。尤其引起部队惊骇的是，当此紧急关头，指挥官张景良下令烧毁刘家庙弹药库及其他辎重，前线革命军恐惶动摇，相率溃退。此时张景良又不知去向。他临走曾命令军械官罗家炎的扣发子弹，而且清军进攻方向似乎受人指引每发必中，因此以张景良通敌嫌疑甚大。上午十一时，革命军放弃江岸车站，沿日租界向大智门新停车场退却，清军占领刘家庙以及日、德租界以北一带市区。
袁这时还在彰德的洹上村，他露了一手，一方面给清朝尝一点甜头，一方面给革命军看一点颜色。钦差大臣和前方军事的指挥大权，对袁来说还不过瘾，他要在这鹬蚌相争的局面中得渔翁之利。因此他仍然在洹上村的养寿堂抱着他的“病脚”，钦酒赋诗，一付闲情逸致的姿态。对清廷来说，这真是急惊风遇着了慢郎中。此时的摄政王载沣一改顽固的态度和办事迟疑拖沓的作风，10月30日以皇帝名义连发四道上谕：
一，实行宪政。
二，起草宪法，与民更始。
三，革除亲贵秉政，宣称一俟事机稍定，简贤得人，即令组织完全内阁，不在以亲贵担任国务大臣。
四，大赦国事犯。宣布所有戊戌以来因政变获罪，因政治革命嫌疑惧罪逃匿和此次乱事被胁自拔来归者，一律赦其既往。今后臣民如不逾越法律范围，均享受国家保护之权利，非据法律，不得擅以嫌疑逮捕。
清廷算是彻底服软了。袁世凯见好就收，而且他听说隆裕太后打算要挟宣统皇帝逃往热河，他也着急了。当日便离开彰徳洹上村，南下视师。31日抵信阳，遇到北上的荫昌，二人交接钦差大臣关防，荫昌立即返回北京。11月1日袁世凯到达孝感，驻肖家港。
冯国璋于10月27日正式接任第一军总统官，协统王占元、李纯、陈光远等都是他的亲信，指挥起来如鱼得水。28日即督军向汉口大智门大举进攻。清军来势凶凶，依仗猛烈火力缓缓前进。革命军代理指挥官谢元恺命令各部作好掩体，俟敌人进至二三百米时，谢元恺下令吹冲锋号，各部官兵从掩体中跃出，与敌白刃肉搏。清军依赖的管退炮和机关枪一时失去作用，只好相率溃退。民军虽暂时战胜了敌人，而前线指挥谢元恺牺牲，新兵死者尤多。
当前线鏖战之时，张景良与清军第八镇司令部参谋刘锡祺匿居汉口，为民军所侦知，当即将张、刘捆送汉口军政分府。詹大悲亲加审讯，发现张景良已经通敌。詹大悲恐将张景良押解武昌为黎元洪所宽宥，便在汉口江汉关将张景良枪决，并枭首示众。
王占元、陈光远各部占领大智门，乘胜向汉口市区进攻。此时革命军处境极其不利，又没有主将，好在士气高昂，毫不气馁。熊秉坤、胡效骞、甘绩熙、杨传建、伍正林等人督率所部，各自为战，凭借对地形的熟悉汉阳、武昌和炮队的火力支援，顽强抵抗，给清军与重大杀伤。双方形成拉锯战。
正当汉口战事处于千钧一发之际，以领导历次武装起义而著称的黄兴抵达武汉。
黄兴、宋教仁、李书城一行抵达武昌，受到黎元洪及军政府人员的热烈欢迎。革命党人当然视黄兴为救星，黎元洪值此战况危急之秋，也急需黄兴这样的人物前来维持局面。至于武汉广大军民，此刻更有“千军易得，一将难求”之概。甚孚众望的黄兴抵汉后，不顾旅途劳顿，当夜即赴汉口视察阵地，军政府为黄兴特制大旗两面，旗长一丈二尺，上书斗大黄字，由领队人手执前进，使沿途人人知道黄兴到汉督战。黄兴赴汉口视察时，军政府派吴兆麟、杨玺章、蔡济民、徐达明四人随行，以备谘询。黄兴见各部分区防御情况尚佳，各部官兵见黄兴来亦欣然色喜，军心大振。
29日拂晓，清军以重炮向革命军防区轰击，革命军自知火力不济，常待清军临近，始出与之肉搏；清军亦不敢冒进，一味利用大炮，摧毁革命军防御工事，因而造成革命军重大伤亡。革命军决计缩短防线，集中力量于张美三巷、土坊、六渡桥、满春茶园一带。黄兴于是日上午偕蔡济民、查光佛、徐达明等渡江督战，设临时总司令部于满春茶园。当时在汉口的部队计有：步队第二协约二千人，分由标统胡效骞、刘炳福率领；第四协约一千人，由标统胡廷佐率领；第五协约二千余人，由统领熊秉坤，统带杜武库、伍正林率领，第一协林翼支标约数百人。另有黄冠群马队一营，尚安邦炮队一标，李占奎工程队一营，方兴、杨金龙的敢死队若干名。总计不到六千人。与清军两镇一万五千余人相比，处于明显的劣势。
当日黄兴集合各部官长讲话后，即于晚九时发布作战命令。当晚黄兴彻夜不眠，筹划反攻。党人和广大士兵，都摩拳擦掌，待命行动；多数旧军官却力主死守待援。10月30日晨，黄兴下令进攻，以第二协参谋徐国瑞率部为前卫，各部跟进。先头部队曾攻至歆生路一线。黄兴时而身先士卒，时而断后督阵，虽弹雨纷飞，若无事然。革命军官兵均说“名不虚传”。是日进攻结果，曾予敌人重创，并夺回已失山炮数尊，缴获子弹数百箱。
11月1日，清军继续以大炮扫荡前进，革命军官兵或升屋顶射击，或匿室内放枪。清军每前进一步都要付出极大代价。在街市巷战中，革命军拼死抵抗，转战于一街一巷、一室一椽。清军难于长驱直入，竟决定纵火焚烧街市房屋，使革命军无法存身。清军烧一段进一段，革命军退至玉带门一带，并陆续向汉水对面的汉阳撤退。翌日清军一面在汉口市区继续纵火，一面从歆生路、刘家花园一带炮击汉阳兵工厂及武昌军政府都督府，当日革命军全部退出汉口。此时，黄兴尚恋恋不肯退出战场，军政府恐其有失，特派多人会同黄兴随从，挟以渡江。黄兴且行且回顾，叹息不已。
王占元、陈光远各部占领沿汉水一线，王遇甲部占领玉带门及渡口，与汉阳革命军隔河对峙。清军数日激战，损失颇大，冯国璋下令“休兵十日”，一方面巩固占领区，同时为进攻汉阳储备渡河器材、弹药、粮秣。
冯国璋夺取汉口，居功至伟；但是他下的纵火令却引起轩然大波。不仅激起全国民众的愤怒，连北方统率新军的将领如二十镇张绍曾、第三镇协统卢永祥、第二混成协协统蓝天蔚、第三十九协协统伍祥祯、第四十协协统潘矩楹等也联名电请清廷惩办冯国璋。各国驻汉口领事馆因清军纵火危及切身利益，也向清方致电抗议，并宣称“现各国代表拟请鄂军政府担任汉口交涉全权”。清军的汉口纵火虽然赢得了军事上的成功，然而政治上、外交上却声败名裂。
汉口争夺战从10月16日开始，至11月2日清军完全控制汉口，历时半月。双方参战兵力近三万人，伤亡大约一万余人，汉口百姓的人身财产尚未计算在内。革命固然需要牺牲，只可惜死的都是中国人。