对大家说明形势危急，决定一致胁迫黎元洪下攻击令，倘再犹豫，欲为清廷作留守，当以手枪饷之。黎元洪命令旧军官原第2协统领何锡蕃为汉口前线指挥官，率革命军1300余人向刘家庙之敌发起进攻。
由于革命军斗志昂扬，士气旺盛，作战极为英勇；人民群众热烈支援革命军，一般军民均不畏死，面对清军，大有灭此朝食之慨。10月18日攻打刘家庙首战告捷，打死清军400余人，伤者更多。拆毁京汉铁路十余丈，使载有两标清军的一列火车脱轨，清军死伤枕籍。19日革命军出动3000人，胜利占领刘家庙车站，清军丢盔弃甲，向北溃退至滠口三道桥以北，遗弃载有粮食、弹药、被服等军需物资的列车约10余辆。
攻占刘家庙之后，本应乘胜前进，驱清军于汉口郊区以外。可是在何锡蕃指挥下，仅追敌至三道桥而止，使清军得以在桥北设防固守，以后革命军队再想通过三道桥，进攻滠口之敌，遭到桥北敌军机枪猛烈扫射，伤亡惨重，越过三道桥的可能性不大，只得退回原来的阵地。
清军大部陆续南下，北洋军第4镇和第2镇的第3协共2万多人，已经布置在孝感、祁家湾、滠口一带，并从北方运来了大批退管炮和马克心式机关枪等新式武器。清廷正在准备起用袁世凯，袁的头号大将冯国璋已取代了荫昌，在孝感设立司令部，直接指挥对汉口的进攻。
黎元洪任命旧军官张景良为汉口前线指挥官。不久革命军又加派张廷辅统率的第4协、熊秉坤统率的第5协、蔡德懋统率的炮兵第2标和方兴、马荣统率的敢死队增援汉口。所以从26日双方战斗又激烈起来。
27日、28日两天的激烈战斗，革命军伤亡达2000余人，清军死伤人数大致与此相当。
正当汉口前线紧张鏖战之时，探悉前线总指挥张景良（投黎元洪的旧军官）在汉口后城马路与原第8镇正参谋官刘锡祺密商暗害革命军阴谋。汉口军政分府负责人詹大悲亲自审讯刘、张二人，证实刘确为清军奸细。詹大悲认为此二人非处死不可，遂报告黎元洪，请示办法，黎命将二人解至军政府审问。詹大悲对黎不放心，认为若把张、刘解到军政府，一定会“从宽赦免”，甚至会受到重用，便在汉口江汉关将二人枪决，枭首示众。
正在汉口战役进入极端艰苦的危难时刻，国内同盟会主要负责人黄兴偕宋教仁、田桐、李书城等由上海抵达汉口，渡江抵武昌。
武昌起义时黄兴正在香港，得到消息后，立即回到上海，并作出即赴武汉的决定。这位以领导历次武装起义著称、为民主革命立下赫赫战功的革命功臣的到来，使武汉军民为之一振。黎元洪更感到如释重负，对黄、宋抵鄂，亦喜形于色，对这两位同盟会领袖的态度，备极谦恭。
黄兴片刻不曾休息，即与各方面负责人集议汉口战事。经商谈后，知汉口形势已然危急，难于从根本上扭转局势，但见士气可用，加上革命同志的积极主战，便不计个人利害，自告奋勇，率师督战，得到革命党人和军政府各方面负责人的一致赞同，遂公推黄兴为总司令，到汉口组织反攻。
黄兴偕居正、田桐、蒋翊武、胡瑛、蔡济民等率队渡江。临行时，黎元洪告诫诸将曰：“诸事惟黄先生之命是听！”诸将皆敬诺。
黎元洪为安定人心，命人赶制1丈2尺长的“黄”字大旗两面，一面由领队人高举前导，使武汉人民都知道黄兴到汉口督战；另一面插在总司令部的门前。表示黄兴在此，借以振奋军心。
黄兴等来到汉口前线时，军民已退至汉口中心区。黄兴对众人道：“如不急谋进攻，包围圈会越缩越小，形势将愈形危急。”于是决定将援兵分成两部，采取攻势。背负长江、汉水，只能背水一战。
黄兴尚未部署完毕，即接到报告，清军已进至六渡桥，炮兵2标统带蔡德懋、第4协统领谢元恺阵亡，敢死队长马荣、工程队长李忠孝战死，何锡蕃受伤。马荣尸体被清军剥肤剖心。黄兴闻讯大怒，立即带领江防军出战。
清军闻黄兴名，俱胆落。黄挥队猛扑，清军反奔，直追抵刘家庙。
但由于敌军武器精良，且军队人数众寡悬殊，革命军对失去阵地虽得而不敢守，仍退回原地防御。
冯国璋到达汉口前线，亲临指挥。他竟凶残地传令各部清军火烧汉口。繁华的汉口市区成为一片火海，坚持巷战的革命军被迫节节后退，11月1日下午退往汉阳，当天夜间，汉口终于沦陷敌手。
汉口战事结束，汉阳之战开始。
经过汉口战役的殊死战斗，革命军人数锐减，调到汉阳的兵力，总数不足5000人，另有湖南来援的两个协，总共亦不过一万三四千人。来自湖南的两个协援军，是训练精良的新军，和那些汉阳前线作战的衣衫褴褛，装备低劣的新募士兵大不相同。他们的到来，使汉阳的守军增添了信心，黄兴十分高兴。
正在这时，在武昌的一些同盟会会员讨论让黄兴取代黎元洪作为湖北军政府的首脑问题。
同黄兴同来的同盟会领导人宋教仁、田桐、李书城等，以及湖北革命党人居正、蒋翊武、杨王鹏等人力主拥护黄兴为两湖大都督，或称南方民军总司令，地位和职权均在黎元洪之上。11月2日晚，宋教仁、居正、田桐等部分党人及军政府有关人员举行了一次秘密会议，居正提议推举黄兴为两湖大都督，受到革命党人的热烈拥护。但是，那旧派人物吴兆麟却提出反对意见。他站出来滔滔不绝地罗列了6条理由，反对黄兴为两湖大都督，引起一场激烈的争论。
革命党人不敢坚持原则，在辩论中显然也没抓到要害，他们既不敢公开揭发黎元洪、汤化龙等排挤革命党人的反动企图，又不敢公然为革命争夺领导权。相反，吴兆麟强调更换都督将引起军队内部分裂和帝国主义干涉的指责，倒是触动了革命党人的隐忧。吴兆麟这么一说，宋教仁马上退缩了，于是大家决议，推黄兴为战时总司令，所有军队均听其节制调遣。
对战时总司令的职权和出任方式又出现了争论：党人主张与黎元洪分权，总司令的名义由“公推”产生，不经黎元洪委任。旧派人物则以“统一事权”为理由，力主由黎元洪委任。那汤化龙、胡瑞霖道：“黄兴由黎元洪委任，就是团结一致的最好机会，不可更张，以生内乱。”这种主张获得通过。
次日，黎元洪以最高权威、开国元勋的身份，在武昌阅马场“拜将台”上，效法汉朝刘邦拜韩信为大将的故事，授予黄兴战时总司令的印信、委任状和令箭。
黄兴在坛拜将典礼后，即于当日率领有关人员渡江，在汉阳西门外昭忠祠设战时总司令部。在筹划战守方针时，军政府参谋部副部长吴兆麟、军务部部长孙武同战时总司令部黄兴、李书城等发生分歧。黄兴、李书城等人主张乘汉口清军立足未稳，集中兵力反攻汉口，而对于孝感、新沟、蔡甸一线，则凭坚固守。吴兆麟、孙武则认为民军新兵多，缺乏大炮、机枪，且汉口挫折后，元气尚未恢复，只能凭借汉水固守汉阳，以疲清军而待各省响应。
由于黄兴没有采纳吴兆麟的意见，吴便到都督府向黎元洪反映，希望黎能亲自出面阻止黄兴。黎元洪沉吟道：“据黄兴派李书城来言，现在攻击计划已定，颇有把握，我亦不便阻止。”
黄兴也到武昌见黎元洪道：“现在各地纷纷响应，宣布独立的省份已超过全国半数以上，如能攻下汉口，起义的省份将更多，清廷势不能支，非垮台不可。”那黎元洪对黄兴的说法心里虽不尽然，表面上却唯唯称是。
反攻战斗非常激烈。16日下午，队伍待命出击。当晚，他们渡过汉水，胜利地建立了滩头阵地。但是，遇到了敌人的猛烈抵抗，经过24小时的连续战斗，革命军损失惨重，800余名伤亡。黄兴在撤退中也几乎丧生。一个敌兵在离黄兴很近处准备向他开枪，被跟随黄兴的日本友人萱野长知发觉，向黄报警，黄兴迅速转身，一刀把那个敌人砍死。这次反攻失利，使黄兴极为沉痛，几不欲生。
黎元洪派蒋翊武到汉阳慰勉黄兴，谓汉阳有襄河之险，且系武昌保障，仍要固守。此时之败不足虑也，一俟各省援军齐到，再图恢复可耳。
黄兴召集军事会议，确定凭借汉水之险，固守汉阳。从此，革命军完全处于被动的防御地位。
在革命军谋攻汉口之时，清军除留主力部队守在汉口龙王庙至玉带门一带防止革命军强渡汉水外，另派出两支部队迂回进攻汉阳。琴断河以东，依次密布着美娘山、仙女山、锅底山、扁担山、汤家山和磨盘山，居高临下，形势险要，成为汉阳城两侧的天然屏障。革命军在这一带设置了防守汉阳的一道防线。但是，冯国璋调动了3万人的精锐部队向汉阳发动了进攻。从21日至26日，革命军同清军双方为争夺这一带险要山地而展开激烈的战斗。革命军付出重大牺牲，与优势火力的清军展开艰苦的拉锯战，几个山头失而复得，得而复失，最后终于落入敌手。25日，湖南援军第1协统领王隆中擅自率部撤离前线，后又擅自率部潜回湖南，第2协统领甘兴曲，则率部退往湘南岳州。
黄兴见湘军既撤，汉阳形势危急，恐兵工厂为敌所用，经大家议决，暗将兵工厂一切紧要部件及所余枪枝弹药搬运武昌储存，以免资敌。
27日凌晨，清军突破十里铺防线，沿大道向汉阳城推进。同时，汉口清军也由硚口渡过汉水，进占钢药厂、兵工厂，并夺取龟山炮台。
黄兴逐日至前线亲自督战，每日敌炮落在咫尺，不为所动，随从人员辄强拽以避。其英勇如此。黄兴看到败势已不能挽回，愤不欲生，黎元洪派人来劝慰，并请回武昌休息。
黄兴于27日渡江回武昌，革命军也全部撤回武昌，汉阳失守。
黄兴在军政府会议上报告了汉阳失利情况及原因。最后，他说道：“为今之计，只有弃武昌而援南京，若得南京，然后组织北伐精锐军队，再图恢复。”黄兴说完，黎元洪立即站起身来，表示赞同，并征求众人同意。
刚从日本留学回国的老日知会会员、同盟会会员范腾霄起立发言：“武昌关系全国，不啻如人身之首脑，首脑有失，民国生命岌岌危矣。如弃城不守，风声所播，敌即欲入武昌而可得，是自绝也。我无数流血志士艰难缔造之新起民国，其血食将由此而斩！”
范腾霄又从战术上分析了汉口、汉阳虽失，武昌仍旧可保。他最后高呼：“敢大胆请诸君一决，赞成死守武昌者，起立举手！”
话未毕，全体齐举手，欢声雷动。大家纷纷表示：“头可断，武昌不可弃！”军务部副长张振武拔出手枪，大声喝道：
“倘再有言退者，即杀之！”
黄兴只好放弃己见，约同李书城、田桐一起回上海而去。
黄兴是否真的提出放弃武昌，败走南京的计划，已不可知。有人分析认为，黄兴不可能提出这样的计划，因为武昌、南京相距遥远，这样的长途军事行动，既乏补给，又缺交通运输工具，又可能遇有敌人途中袭击的危险，是个不可能实现的冒险计划。那么，为什么又有黄兴建议撤军武昌的说法呢？有人认为，这是湖北某些军阀政客出于某种政治上的原因，挑起人们对黄兴的恶感而蓄意捏造的。
黄兴在汉口和汉阳之战中，在众寡悬殊形势下，率领革命党人舍身捐躯，竭智尽力，做了他可能做的一切。在坚守汉口的日子里，有5个省脱离清朝，在坚守汉阳的日子里，又有10多个省宣布独立，黄兴是当之无愧的英雄也。
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