到了11月初，萨镇冰率舰队离开战场，向下游驶去。在九江，萨氏招集舰队的全体军官讲话，感慨万千地说：本人参加海军已经30多年了。其间打了很多仗，但从来没有获得过胜利。现在中国人打中国人，即使胜了也不光荣。再把这种局面维持下去，既无法面对朝廷，也不便于大家去响应革命军。现在我就把舰队交给你们，希望你们好自为之。
萨镇冰说完这些话，就只身到上海去了。汤芗铭正式领导海军起义，并率舰队开赴武汉，去协助革命军作战了。
袁世凯亲掌军权不几天，即令冯国璋展开进攻。10月29日拂晓，北洋军以重炮轰击革命军阵地，步兵随即展开进攻。黄兴知道己方火力不济，遂下令待敌人逼近，再与之展开肉搏战。几个回合下来，清军不敢再贸然进攻，只是一味炮轰，摧毁革命军防御工事，杀伤革命军有生力量。
为减少伤亡，黄兴下令缩短防线，集中于六渡桥、满春茶园、土坊一带防守。他还率领蔡济民等人来到前线督战。
10月30日，黄兴率部反攻，以徐国瑞为先锋，先头部队一度突破清军防线。黄兴本人在战斗中身先士卒，虽弹雨纷飞，亦无丝毫畏怯，毫不在意。这使得官兵们对他大起敬意，纷纷说：“果然名不虚传。”
这一天进攻的结果，虽然给予清军重创，但由于另一路革命军进攻不利，因此并未达到预期效果，北洋军仍牢牢地据守着原阵地。
11月1日，北洋军攻进汉口市区。革命军或者攀上屋顶射击，或者临街筑垒抵抗，清军每前进一步都要付出很大的代价。
在街头的巷战中，大炮已经失去了作用，革命军将士一街一巷、一屋一室拚死抵抗，死战不退。
巷战进行了两三天，两军士兵无休无止、没日没夜地战斗，清军死伤累累，但仍未取得大的进展。
冯国璋气急败坏，就下令放火烧房，火焚汉口，让起义军无从依托，无法再抵抗。
在以后的战斗中，北洋军烧一段进一段，革命军不得不边打边撤。
11月2日，革命军退出汉口。汉口之战以革命军的失利告终。
冯国璋火烧汉口，虽然取得了军事上的胜利，但却激起了全国民众的愤怒。连驻守北方的一些清军将领也联名电请清廷惩办冯国璋。北洋军在汉口纵火使其名誉大为扫地。
然而，袁世凯却百般袒护冯国璋，胡说汉口的大火是革命党放的，并仍令冯统率第一军，进攻革命军，艰苦卓绝的汉阳保卫战马上就要开始了。
（三）汉阳保卫战
1、革命军以攻为守，北洋军初战得利
清军攻占汉口以后，因连续作战，士兵疲惫，伤亡也很多急需补充，因此冯国璋“休兵十日”。在休整期间，他多次召开将领会议，一再强调夺取汉阳的重要性，认为汉阳居高临下，俯瞰武汉，夺取汉阳，则武汉三镇不用费多大劲就可夺占。
此时的革命军，黄兴已被任命为战时总司令。湖北军政府抓紧时间召开了紧急军事会议，总结了汉口失守的教训，认为主要有以下6点：
1、革命军新兵较多，未经多少训练，临战经验欠缺，且不听指挥。
2、军官素质不高，有的还贪生怕死，不敢身先士卒。
3、部队连续作战，伤亡过多，过于疲劳。
4、开小差的士兵较多。
5、武器装备落后，缺少机关枪和管退炮。
6、北洋军久经训练，战斗力强。
会议认为当前急需援兵，应致电独立各省，支援湖北的革命。11月5日；湖南民军第一协王隆中部，8日第二协甘兴典部相继抵鄂，支援湖北民军。
援军到达以后，革命军士气大振。黄兴遂于11月14日召开军事会议，建议反攻汉口，以攻为守。
但吴兆麟、蒋翊武等人却认为，革命军新兵较多，又缺乏大炮，不宜进攻，只宜固守。两种意见相持不下，只好请黎元洪发表看法。黎却模棱两可，因为进攻取胜固然可以抬高他的声望，失败了他也不负什么责任。在这种情况下，因为黄兴是总司令，因此主张反攻的意见占了上风。
11月16日晚，革命军展开攻击，湘军第一协为右翼进攻部队，第二协为左翼进攻部队，鄂军第五协熊秉坤部为总预备队，渡河后在博学书院附近展开，向玉带门方向推进。同时，鄂军第四、三、六协待主攻部队进攻开始后，即派兵在汉口谌家矶等处登陆，吸引敌人兵力，使其不能支援玉带门的敌军。驻龟山、蛇山、凤凰山的炮兵也向清军展开了猛烈轰击。
战至17日清晨，玉带门的清军渐渐不支，向东北退却。但谌家矶、南岸咀的民军却因敌人火力太猛，而无法渡河增援。上午，甘兴典的湘军第二协迫近居仁门，鄂军第五协进占王家墩，主战场的清军早已经准备好了火车，随时准备逃跑。冯国璋见势不好，下令主战场清军死守，并马上向那里增派援军，因辅战场民军没能渡河牵制住清军，使冯的调兵支援计划得逞。下午2时，清方援军开到主战场，其战线渐渐稳定下来。而革命军因连续作战，士兵又饥又疲。正在这时，后方送饭来了，很多新兵不顾战场纪律，擅自离开阵地去抢饭吃，使阵地出现混乱。北洋军趁机用机关枪猛烈扫射民军阵地，一些新兵慌得掉头就跑，导致部队溃退。黄兴大怒，下令后退者杀，但后退仍难制止。
清军见民军后退，颇有些莫名其妙，一开始还以为是诱敌之计，也不敢追赶。后来见民军渡河时士兵争路纷乱，竟有落水淹死者，才知民军确在溃退，于是趁机进攻，又占领了玉带门等地。
革命军此次反攻汉口，损失重大，死伤官兵800余人，丢失了大批枪械弹药，黄兴恨恨连声，大呼“新兵不可用”，几乎要自杀，幸亏被随从发现劝止。
北洋军经此一战，则发现革命军并不那么强大，于是军心大振，积极准备进攻汉阳。
2、汉阳陷落
11月21日，北洋军由甲支队李纯担任主攻，2支队张敬尧担任辅攻，在西线向汉阳发动猛攻，革命军则在三眼桥、美娘山、仙女山、锅底山、扁担山、磨盘山布置防线，抵御敌军。
22日，清军攻陷美娘山、仙女山，并用大炮、机关枪从侧面夹击三眼桥，配合南翼清军作战。三眼桥守将祁国钧负伤，士兵也伤亡惨重，不得不后撤，退守锅底山，花园弯一线。
这时，黄兴抽派鄂军第四协第七标胡廷佐部增援，想重新夺回美娘山、仙女山阵地，黄本人还亲自到前线指挥、督战。
23日清晨，胡廷佐率部向仙女山展开攻击，不久占领山的东北麓，随即绕至山的东南方，向山顶仰攻。清军居高临下，用机关枪猛烈扫射，革命军不畏生死，冒死攻山。
与此同时，湘军杨万贵部与鄂军祁国钧部合兵一处，组织敢死队向美娘山进攻。祁国钧早已负伤，但仍带伤指挥。敢死队经过苦战，登上了山头，并缴获了两挺机枪。但不久北洋军开始反攻，敢死队只有几十人，寡不敌众，只好边打边撤，美娘山得回复失。胡廷佐部得不到有力支援，也没能攻上美娘山，他本人还负了伤。清军打退了民军的反攻，乘胜进攻，夺占了扁担山、汤家山、磨盘山等据点。民军第一道防线尽失，不得不退守十里铺一线，形势急转直下。
正当革命军与清军在十里铺相持的关键时刻，湘军王隆中，甘兴典两协擅自脱离战场，向后方退却。
黎元洪得信，马上派人前去劝说，不久又亲自前往敦促，并许以高额酬劳，但湘军不听，径自退回湖南。
眼见形势危急，总司令部参谋甘绩熙不顾自己伤病在身，毅然面见黄兴，自告奋勇组织敢死队，要夜袭磨盘山，夺回失去的阵地。
黄兴很感动，但又有些不忍心。甘绩熙再三请命，才获批准。
25日夜，甘绩熙率敢死队员摸上磨盘山，山顶清军朦胧中见有人攻山，遂用机关枪疯狂射击。甘绩熙命队员趴在地上不动，上好刺刀准备冲锋。清军见不着人影，。以为进攻的人已死或已撤退，遂停止了射击。
恰在这时，甘绩熙一跃而起，呐喊一声率队猛攻山顶之敌，慌敌中清军已不能有效射击，黑暗中又不知来了多少民军，惟恐被俘虏，就争相逃下山去。
敢死队终于占领了磨盘山，但甘绩熙头部背部中弹受伤。在身边将士的力劝下，甘绩熙将指挥权交给刘玉堂，返回武昌治伤。他刚走不久，清军就开始了反攻。在激烈的战斗中，刘玉堂中弹牺牲，敢死队无人指挥，遂撤下磨盘山。
26日上午，北洋军猛攻十里铺，以隆隆的炮声掀开了全面进攻的序幕，下午4时左右，十里铺失守，民军将领杨玺章、王殿甲阵亡。
黄兴知道形势已无法挽回，遂下令抢运汉阳铁厂、兵工厂的机器，他本人于11时撤离汉阳。
27日清晨，北洋军继续进攻，由黑山一线向汉阳市区推进，上午攻入汉阳城。革命军志士萧钟英、王佐才等人死战不退，全部壮烈牺牲。
汉阳保卫战一共打了1个多月，革命军阵亡将领130多人，士兵2600多人。
27日以后，袁世凯出于政治需要，基本上停止了进攻，革命军与北洋军在武昌对峙。
（四）武汉保卫战的后果
艰苦卓绝的武汉保卫战结束了，革命军虽然失掉了汉口、汉阳，但他们牢牢拖住清军主力达一个多月，这就为其他各省的反清起义的胜利创造了条件。在武汉保卫战进行期间，浙江、福建、广东、广西、四川、江苏等省都被光复，都宣布脱离清朝统治。
具有政治头脑的袁世凯深知湖北北洋军的得势，并不能挽回清朝全局的失利，因此他才下令停止进攻，转而与革命党和谈，利用革命党与清廷都有求于己的有力条件，对双方既压又拉，以使自己能当上中国的最高领导人。从这个角度来看，武汉之战也为袁世凯当上民国的大总统提供了契机。袁世凯利用得胜之势压革命党人让步，使其同意只要他倾覆满清，即可推举他为民国的大总统，他又利用革命军的奋勇作战及各省起义的现实，压满清贵族下台，小皇帝退位。
袁世凯的策略获得了成功，1912年2月12日，清宣统帝被迫退位。2月13日，孙中山宣布辞去中华民国临时大总统的职位。不久，袁世凯如愿以偿，在北京就任总统。武昌起义乃至整个辛亥革命的胜利果实就被袁世凯窃取了。