武昌起义公推的总指挥吴兆麟，曾经是黎元洪的学生，见黎元洪到来，立即迎上前来，又是问候又是致歉，表现得十分尊敬。往日里，由于欣赏吴兆麟的才能，黎元洪对他颇为器重，没想到他竟成了革命党起义的总指挥。
对于大清王朝，黎元洪的心中颇为纠结，既恨其内部腐败，又怒其对外软弱，但在心里的深处，还是有一定感情。毕竟，他是靠了清廷大臣的刻意栽培，这才发达起来的。正因为如此，他才没有想到要用暴力来推翻清廷。
这时候，黎元洪看到吴兆麟对自己还很尊敬，便压低声音劝道：“你怎么也做了革命党，这可是满门抄斩的罪。你学问好，能力强，若跟着我继续干下去，定会有光明的前途。你现在还是自行解散义军，别把这事闹大了，我保证大家都能平安无事。”
吴兆麟静静地听完，也压低声音说：“自从瑞澂任鄂督以来，霸道一方，危害百姓，杀害忠良，致使湖北革命暴发，这不能怨革命党人。现如今，瑞澂与张彪都逃出城外，武昌城内就统领您一个人。您平时爱护军人，深得军人之心，现在请统领来主持大计，实属天意，请统领一定不要推诿。”
黎元洪听了吴兆麟的这番话，见他诚恳肃然的样子，知道要劝说这位往日的学生回头已经绝不可能，不由长长地叹了口气，感到十分地为难。
他之所以如此，一方面是对大清的感情，另方面是对自己的名节，还有就是军事的问题。
此时的瑞澂、张彪已经逃出，若率水陆重兵前来攻打武昌，革命军现在外无援军，内无粮饷，只怕难敌。
见黎元洪还在犹豫，吴兆麟还能等待，在场的其他革命党人却气愤起来，有人怒声说：“为了国家，我们拼死起义，现在胜了，推你来做都督，你不但不知感激，还推三道四。再这么下去，我们不如就杀了你。”
吴兆麟见了，喝住怒喊的人，回头再劝黎元洪。见情况如此，黎元洪只好跟着吴兆麟，来到谘议局，参加革命派和立宪派的联席会议。当时，革命派与立宪派是联合阵线，全国如此，武昌也是这样。革命党要推举黎元洪为都督，得征询立宪派的意见。因为立宪派往日与黎元洪交情也颇深，加之黎元洪与革命党并无渊源，推他来出任都督，自然是一个皆大欢喜的选择。
于是，关于黎元洪为湖北军政府都督一议，顺利得到一致通过。紧接着，大家推举黎元洪与汤化龙二人出面主持大计，号召天下。黎元洪听了，站起来说：“兹事体大，务须谨慎，我实在不能胜任，还是请另择高明吧。”
众人见他还在推三推四，一时议论纷纷。有革命党人蔡济民，失声痛哭道：“昨夜多少同志牺牲，方有今日之光复，若因无人主持而功败垂成，何以面对死去诸同志？若黎协统再不答应，我便自杀以谢烈士！”
更有另一位性格刚烈的革命党人朱树烈，走到黎元洪面前，也不说话，猛地抽出腰刀，在众人的惊谔中，刷地截断一指，并用这血淋淋的断指指着黎元洪说：“你要再说一个‘不’字，我就同你拼命。”
黎元洪见此，微微地摇了摇头，闭紧双目，一副任由你怎么办都好的样子。
吴兆麟赶忙上前一步拦住朱树烈，让人劝他下去。这时，革命党人李翊东拿来写好的安民告示要黎元洪签字。黎元洪连看也不看，只连连摆手说：“莫害我！莫害我！”
李翊见状，无奈地看了看一旁的吴兆麟，只好自己拿起笔来，在文告上签了个“黎”字拿走。
当天下午，武昌大街小巷，都贴了“中华民国军政府鄂军都督黎”的安民告示，一时间民心大定，商人开店营业，百姓各做自己的营生，因起义逃匿的新军军官，也纷纷出山，附革命军。
黎元洪素以仁义宽缓著称，威震武汉三镇，对普通百姓来说，他竟然带头革命，其意义是革命党人所不能比的；对清廷来说，黎元洪忠厚老实，这样的人也造反了，心理上的打击非同一般。
可是，这时的黎元洪，却还是不愿做这个革命党人的总督，整日呆在家里，凡事不愿出面。革命党人见他这样，怒声不断，张振武对吴兆麟说：“如今虽占武昌，然清廷大吏潜逃一空，未杀一人以壮声威，未免太过宽容，不如将黎元洪斩首示众，以壮声威，使一应旧臣皆为胆落。杀了黎元洪之后，我们都你吴总指挥为都督，这对你对革命，不是都更好？”
吴兆麟听了，正色地说：“你这么想，就完全错了。如今这样的局势，惟有黎元洪，才能稳得住。就算他一言不发，一事不做，对于稳定大局来说，也是非常有利的。”
吴兆麟的意见得到大家的认同，就干脆将黎元洪软禁在军政府，派断指的诤臣朱树烈严加监守。革命党人们却以黎元洪的名义，陆陆续续发布了《布告全国电》、《致各国领事照会》、《告汉族同胞之为清军将士者电》等文电和一系列的新政策新措施。
这时候，代行都督职权的蔡济民为首的谋略处，已将国号定为“中华民国”，改年号为黄帝纪年。
这时的黎元洪，之所以还是采取一种不与革命军合作的态度，主要还是顾及瑞澂的海军大炮。黎元洪是海军出生，深知战舰炮火的威力。殊不知，很好的战舰到了瑞澂这种无能之辈手上，也发挥不了什么威力。1911年10月13日晨，革命军炮队与瑞澂的楚豫等三舰进行水陆炮战。一战下来，瑞澂的三舰中有两舰披伤逃窜，革命军大获全胜，与黎元洪的预测，正好相反。
朝廷水师居然如此不堪一击，可见朝廷气数当绝。而且，自己久居革命军中，今后就是百口也莫辩，倘若革命军失败，朝廷必然要追究“附逆”之罪。既然如此，我再这么不与革命军合作，于革命军于自己都是很不利的事情了。
这么想明白之后，黎元洪在心里已决定自己出来革命了。只是自己硬撑了这么久，对革命党人一直是冷冰冰的，而且常常茶饭不思的，因此一时还拉不下面子，表面还在矜持。
就在这时候，革命党人甘绩熙等挥舞着手枪来到黎元洪的住处，大声喝斥黎元洪不识抬举。黎元洪趁此叹息一声说：
“年轻人，你何必如此激烈！我在这里只呆了四天，为的是好好想一想，并未做什么对不起你们的事情吧！”
甘绩熙一时语塞，另一个革命党人陈磊趁机说：“都督确实没有对不起我们，现在该是想好了吧。要不，先把您脑后的辫子剪掉，算是表个态度、做个表率。”
黎元洪听了立即回答：“几年前我就跟你们说过，谁愿剪辫子，悉听尊便。现在情况这样，我哪里在乎一条辫子？”
陈磊听了万分高兴，马上找来工具，将黎元洪的辫子剪去。
在众人的笑声中，黎元洪正式出来革命，并以他一贯的工作热情，十分努力地开展工作。当晚召开会议，黎元洪慷慨表态说：
“我对于革命，至今日决心始定。从今后，我便是军政府的一员，成败利钝，誓与诸君共生死。”
革命党人听了，皆大欢喜。都督府门外，想起啪啪啪的爆竹声，表示庆贺。黎元洪又发表演说道：
“今日革命军起义，是推翻清朝，恢复汉土，废除专制，建立共和的开始，承党人及军、学界多数同志推戴兄弟为都督，我无德无学，何能担此大任。但众意难辞，自应受命。我等身为军人，从此须抱破釜沉舟的精神，扫除一切顾虑，坚决去干……从今往后，大家要恪尽职责，速召集同学同事，鼓励士兵，稳定军心，不使逃脱，这是目前要务。”
在黎元洪的演说中，表示就是张彪来投，自己也可让出都督职务。之后，黎元洪又向张彪发去劝降书，说：“种族之界，严于君臣。大义之行，可以亲友。”
张彪看了劝降书之后，大怒，回信将黎元洪狠狠地骂了一通。
没过多久，黎元洪写信给他的老师萨镇冰，说：“谁无肝胆；谁无热诚，谁不是炎黄子孙，岂甘做满族奴隶而残害同胞？洪有鉴于此，识事机之大有可为，乃誓师宣言，矢志恢复汉业，改革专制政体，建立中华民国。”
在接见《大陆报》记者丹格尔时，黎元洪说：“民军的目标是推翻满洲人的统治，以美国为榜样建立共和制度。满洲统治者从未公正对对待汉人，只是镇压、屠杀，因而才激发了革命。我虽然早就知道新军中有革命党人，但并未参加，更不曾想到会成为党人的领袖，如今我要做的，是尽量减少革命中生命的牺牲。等建立共和国家后，中国将更大地对外开放，使外国资本能自由地与中国资本以及劳动力结合，以开放中国的资源。”
1911年10月17日，祭天大典在武昌阅马厂中央临时搭建的祭坛上进行。黎元洪戎装佩剑，缓步登台，面对灵位，宣读了振聋发聩的誓词：
“元洪投袂而起，以承天庥，以数十年群力呼号，流血所不得者，得于一旦，此岂人力所能及哉？日来搜集整备，即当传播四方，长驱漠北，吊我汉族，歼彼满夷，建立共和大业，与五强各国，立于同等地位。”
宣读完毕，台下掌声雷鸣；百姓士兵，山呼：
“中华民国万岁！”
“四万万同胞万岁！”
“黎都督万岁！”
黎元洪满面喜色、挺胸塔腰，走下高台，众人簇拥下骑马绕场一周，接受众人欢呼。
此刻的黎元洪，从心里已经接受共和，并愿以共和为终身理想。在此以后，他经历了洪宪帝制、张勋复辟，在生死抉择面前，他能始终如一毫无动摇，为了理想，甚至举枪自杀，以殉信念。这，便是黎元洪的最可贵之处。
黎元洪武昌主政，一个最棘手的问题便是北方南来的清兵。开始时，讨伐湖北革命军的将领是满人荫昌。他虽然贵为统领，但指挥不动北洋第一镇袁世凯的嫡系，讨伐军到了孝感之后，就裹足不前，仅鼓噪不已罢了。
荫昌的指挥不力，上报告朝廷。朝廷知道原因，只好重新启用袁世凯，派他往前线督师。
袁世凯一到前线，北洋军士气大振，一日之内收复汉口，一个月又收复汉阳。讨伐军正在势如破竹时，袁世凯却下令停止进攻武昌，为的是“养敌自重”。
尽管袁世凯手下留情，在此期间革命军也曾几次反攻，结果均遭失败。黎元洪看在眼里，深知战争的节奏，掌握在袁世凯的北洋军手里。
这一阶段的战事，后来被称为“阳夏之战”。这阳夏之战是由黄兴指挥的。就在黎元洪祭天十日之后，10月28日黄兴来到武昌。对于这位革命领袖，黎元洪热烈欢迎，当即在阅马场高台上，正式拜黄兴为战时总司令，负责全权指挥防守和反攻有关事宜。
当时，湖北军中有不服的，黎元洪皆苦心劝导，使军队上下都听黄兴指挥。这样一来，不仅打消了湖北党人对黄兴的怀疑，也让军队百姓都感到黎元洪投身革命，并无半点争权夺利之心。
在黄兴到了武昌不久时，一些资格较老的革命党人，认为黄兴才是革命党的真正领袖，至少也应该是两湖大都督或南方军总司令，地位应该在黎元洪之上。为此，他们积极地筹划着换督之事。然而，武昌起义的军人们，如孙武、刘公、蔡济民、吴兆麟等，对此强烈反对。
孙武反驳道：“黄兴素有威望，人所共知，但初到武汉，情况不熟，而且又非湖北人，自不应居于黎都督之上。黎都督此次起义以来，名播华夏，且黎都督为湖北人，革命军以独立为号召，鄂人治鄂，名正言顺。”
吴兆麟则说：“大敌当前，内部不宜遽变，黎都督若去职，人心必乱。且黄先生是革命领袖，日后革命成功，再由同志推举为全国领袖，前途远大，必不会计较这区区都督名义。”
由于黎元洪的高姿态，加上黄兴对黎元洪也颇有好感，很快平息部下的争议。黄兴高兴地担任了总司令一职，接受黎都督的指挥。
阳夏之战，黎元洪和黄兴的合作虽然很顺利，但是最后还是以失败告终。黄兴由此提议放弃武昌，顺江而下，与江苏党人会合后北伐。此议，遭到了湖北党人的强烈反对，黄兴只好惭愧的返回上海。
黄兴走后，武昌的城防落在黎元洪一人身上。这时，武汉江面横弋着清廷“楚有”号等十余舰只，指挥官正是海军提督萨镇冰、昔日黎元洪天津水师学堂时的老师。
黎元洪见老师率军亲自前来，思考之后，给老师写了一封十分动情的信。在如实地讲述了自己出任革命军都督的过程后，在信末说：“元洪并非为私事，而是为四万万同胞请命，如今满汉存亡，就在于老师您一人了。”
萨镇冰读罢黎元洪的信，长叹一声说：“真不忍见到同胞骨肉相残。”
这以后，十余艘战舰的炮弹，全都打在武昌的荒郊野外。不久，萨镇冰麾下的这些战舰，都投向了革命。
在袁世凯准备复出时，荫昌曾对他说：“武昌不过是乌合之众，无人主持，此去不难扑灭。”
袁世凯听了，摇摇头，说：“乱军以黎元洪为都督，何谓无人？”
由此可见，袁世凯对黎元洪是看得很重的，再加上袁世凯心中有一个“养敌自重”的策略，当两军对垒时，就不愿与黎元洪打个你死我活。黄兴刚走不久，袁世凯就派黎元洪的故交刘承恩去说服黎元洪，大意是说：
朝廷已经立宪，且开放了党禁，不如见好就收等等之类。
对于袁世凯的野心、用意，黎元洪了解的非常深透。他知道袁世凯是个枭雄，又有北洋六镇做资本，是不会受制于人的。又因为当时的革命党人都有这样一个观点，就是：虚总统位以待袁世凯倒戈来投。黎元洪因此写信给袁世凯，一语中的道破他的心机，说：
“佯装中立，于满汉两面，若皆无所为，实则欲收渔人之利。”接着又亮明观点说：“公若能来归，与吾侪共扶大义，将见四万兆之人，皆皈心于公。将来总统选举，第一任中华共和大总统，公固不难从容猎取之。”
为胁迫黎元洪早日就范，袁世凯一面命令冯国璋坐镇汉阳，炮轰武昌，向黎元洪和革命党人施加压力；一面暗中委托英国领事从中调和。黎元洪见战局如此，也在暗地里筹划善后事宜。
在英国领事的调停下，袁世凯的军队与湖北军政府订立双方订下停火时间为：1911年12月2日至12月5日上午8时。
早在袁世凯炮击武昌时，独立各省的都督府代表经过反复争吵于12月17日会议推举黎元洪为临时政府大元帅，黄兴为副元帅，黎元洪知道自己的声望不能与孙中山相比，在23日时致电孙中山，以自己“才识凡庸，素无表现”为由推辞。
1911年12月25日，孙中山从海外归来。因孙中山一直就是革命党人的最高领袖，此番又从南洋陈嘉庚等富商处募来一笔巨款，众望所归，29日，孙中山当选临时大总统，黎元洪为副总统兼领湖北都督，黄兴为陆军总长。
民国“开国三杰”，由此产生，黎元洪位居老二。