同盟会成立后，革命党人发动了数次反清起义，都以失败而告终。１９１１年武昌首义成功，全国数省响应。但革命党人却在组建临时政府的地点和总统人选问题上发生分歧。
同盟会成立后，其首要任务就是指挥革命党人积极开展武装斗争。孙中山除了派遣一部分同盟会会员秘密回国，为准备武装斗争集结力量外，他本人也付出了大量的时间和精力，投入武装起义的种种筹备工作，往来于日本、南洋、欧美各地，除了建立革命组织、宣传革命道理以外，还联络会党，筹措款项，目的都是为了组织起义。和兴中会时期相比较，同盟会时期“更充满了武装起义的事迹”。
从１９０５年同盟会成立至１９１１年武昌起义成功，革命党人发动了数十次起义。这一时期的起义，可以分为两个阶段。
第一阶段是１９０５年至１９０８年，同盟会主要是联络会党起义。起义的地点大多在华中华南一带，少数在长江流域。著名的起义有：
萍浏醴起义。同盟会成立之后，东京革命党人、留学生纷纷回国策动起义。先是同盟会本部委派刘道一等回湖南活动。他们动员哥老会等会党组织，一起成立了洪江会，以龚春台为首领，积极准备实行武装起义。他们以萍乡、浏阳、醴陵３县的矿工、会党、防营为骨干，总称革命军。起义军发布檄文，历数清廷罪状并声明要“破除数千年之专制政体”，“建立共和民国”，要研究“社会问题”，使“四万万同胞获自由之幸福”。起义队伍迅速发展至３万多人。清政府惊恐万分，下令从江西、湖南、湖北调集５万余清军，交战近一月，才将这次起义镇压下去，大批革命党人受到缉捕。１２月下旬，同盟会骨干刘道一在长沙被捕牺牲。
粤、滇、桂边区六次起义。萍浏醴起义失败之后，孙中山在越南河内成立起义总机关，从１９０７年５月至次年４月，接连发动了６次起义。其中有：１９０７年５月，由余既成、陈涌波领导的广东潮州黄冈起义；１９０７年６月２日，由邓子瑜领导的广东惠州七女湖起义；１９０７年９月１日，由王和顺领导的广西防城起义；１９０７年１２月２日，由黄明堂、关仁甫领导的广西镇南关起义；１９０８年３月２７日，由黄兴亲自领导的广西钦、廉、上思起义；１９０８年４月，由黄明堂发动和领导的云南河口起义。
这六次起义的共同特点是：第一，都是孙中山亲自策动和指挥的，具体领导者皆为加入了同盟会的会党首领；第二，起义的基本队伍都是会党成员，他们起义后大都跟清军战斗得十分英勇激烈，在起义初期短兵相接的局部战斗中，都取得一定的胜利；第三，起义的准备、联络、发动群众、长期打算等方面均缺乏充分周密的考虑，因此，在遇到清军有计划、大规模的镇压时，很快就失败了。但总的来说，革命党人百折不饶，在如此短的时间内发动多次起义，对清廷的震慑是很大的。
江浙地区光复会起义。同盟会浙江分会的负责人秋瑾，同时也是光复会的成员。她１９０６年从日本归国后，开始紧张策划武装起义。她以革命党人创办的大通学堂为据点，联络会党、军队及军校学生，组成了光复军。计划于１９０７年７月举义，直捣杭州城。她还与光复会会员、安庆巡警学堂会办徐锡麟相约，由徐在安庆同时起义，以期策应。因光复会内部出了叛徒，徐锡麟只得提前发动，于７月６日乘安庆巡警学堂毕业典礼、清吏咸集之机，将安徽巡抚恩铭一举击毙。后失败，徐锡麟遇害。秋瑾得知这个消息，决定于１８日起义，但为时已晚，清军１３日包围了大通学堂，逮捕了秋瑾。１５日，秋瑾在绍兴轩亭口英勇就义。
第二阶段是１９０８年以后发动的起义，主要是发动新军进行的。这一时期较大规模的起义有：
１９０８年安庆新军起义。这次起义由担任该新军炮兵营队官的革命党人熊成基领导。熊成基利用光绪、慈禧接连去世，人心动摇之机，决定于１１月１８日起义。官府急调军舰两艘轰击起义军据点，同时安庆城内接应部队发生变动，不予接应，致使起义很快失败。１９１０年１０月，熊成基被清吏杀害。
１９１０年２月广州新军起义。同盟会南方支部部长胡汉民与黄兴、赵声在香港策动了这次起义，由倪映典领导。先是倪映典等人运动新军，取得成效。至１９０９年冬，新军士兵加入同盟会的，已达３０００余人。当时广东全省军队不过１万多人。胡汉民等又派姚雨平等运动广州附近的巡防营，派朱执信等联络番禹、顺德、南海的民军响应起义。原定次年正月元宵前后发动。到了农历腊月廿八，新军二标士兵因刻印名片事，与警察发生冲突，风潮骤起，倪映典不及制止。他急至香港向同盟会南方支部报告。胡汉民、黄兴、赵声研究决定，次年正月初六举义。两广总督张鸣歧和广东水师提督李准，察觉到新军不稳，采取了措施，将士兵的子弹全部没收，又在新军驻地燕塘至广州的要隘牛王庙，布置了精锐部队。正月初三（公历２月１２日）倪映典突入新军营垒，击毙反对革命的管带，召集士兵举义。他被推为司令。倪映典带领起义军士兵向省城进发，经过牛王庙时被阻，与清军展开激战。倪不幸中弹身亡，军心大乱，起义遂告失败。
１９１１年广州黄花岗起义。这次起义是由黄兴亲自领导的。４月２７日（农历三月廿九）下午，黄兴亲率先锋队数十人进攻清两广总督衙门。起义军冲入总督署，搜索总督张鸣歧未获，遂纵火而出。因清军早有防范，其他各部新军没有按计划投入战斗而归于失败，党人死伤甚重。事后，革命党人潘达微将７２具烈士遗骸掩埋于广州郊外白云山红花岗下，此岗后改名为黄花岗，因此此次起义也称为“三二九黄花岗之役”。
尽管历次反清起义都归于失败，但革命党人并没有丧失信心，反而更加渴望改变国家的现状。正如孙中山在广州黄花岗起义失败后所说：“是役也，集各省革命之精英，与彼虏为最后一搏。事虽不成，而黄花岗七十二烈士轰轰烈烈之慨已震动全球，而国内革命之时势实以之造成矣。”果然，不到半年时间便爆发了武昌起义。
“十月十日武昌城，满城一片枪炮声。”１９１１年１０月１０日武昌革命党人和新军发动武昌起义。１０月１１日武昌光复，武汉三镇全部由革命军控制，气象为之一新。随后，各省纷纷响应，到１１月，全国有江苏、湖南、广东等１４个省区宣布脱离清政府独立。
文学社、共进会联合策划武昌起义的秘密地点
武昌首义的成功与各省的纷纷响应，既在情理之中，又出于革命党的始料之外，充分显示了偶然性在历史发展中所蕴含的巨大力量。
所谓在情理之中，首先是革命形势发展到清王朝必将垮台的临界点，这时只要一个小小的火星，就足以使充满火药的大厦腾空崩裂。清政府的专制腐朽虽久为人们所知，但由于它采取高压政策而使一般社会阶层不敢轻举妄动，所以最开始革命只可能在无私无畏的勇士中秘密进行。但革命者总是少数，尽管起义不断，可歌可泣，但若没有全社会的共识，没有各阶层对现政府的绝望，总归只是少数人的行动。当清王朝自鸦片战争以来被迫面对世界时，它的一系列腐朽落后就更为显著地凸显出来，人们在自强求富的愿望中一次次地对清政府失望，改变现状，另立政府的呼声也就越来越迫切，这就使得清政府总崩溃成了历史必然。
所谓的始料之外，是因为革命党人举行了数次的起义斗争，但都以失败而告终。因此，武昌起义的猝然成功大大超出了革命党人的预料，首义后的数省响应更是革命党人做梦都没有想到的。
武昌起义后，建立全国性的革命政府就成为摆在革命党人面前首当其冲的重要问题。早在１１月１１日，江苏都督程德全、浙江都督汤寿潜和上海都督陈其美联名致电各省军政府，建议派代表到上海讨论成立中央统一机构的事宜。接着程德全又致电各省军政府，建议公请孙中山回国组织临时政府。
１５日，各地代表在上海召开了第一次会议。规定每省派代表２人，组成“各省都督府代表联合会”。１７日，黎元洪发电建议各省派代表到武昌开会。考虑到武昌是起义首捷之地，黎元洪是第一任都督，拥有极高的威信，于是代表联合会议定以武昌作为中央军政府所在地，推黎元洪代行中央政务，并请武昌政府委派伍廷芳、温宗尧为革命政府外交代表。决定每省派代表一人在上海组成联络机构。但当各省代表到达武昌时，黄兴所指挥的湘、鄂联军在袁世凯的进攻下正处于劣势，不久汉阳失陷。
袁世凯进攻武汉的同时，江浙联军于１２月２日攻下了南京。１２月４日，江苏都督程德全、浙江都督汤寿潜、上海都督陈其美，认为汉阳失守、武昌危急，在那里的代表已无法组织临时中央政府。于是，他们与留在上海的各省代表集会商议，将临时政府所在地改在南京，并投票公举黄兴为大元帅，黎元洪为副元帅。武昌各省代表接电后，认为上海的各省代表是联络员身份，无权议决有关组织临时政府等重大事项。
１２月１０日，在上海和武汉的各省代表陆续到达南京。原定１２月１６日举行临时总统选举会，在这期间，得到了袁世凯和谈代表到达汉口的消息，于是决定虚总统之位，以待袁世凯反正。
上海代表选出黄兴为大元帅，黎元洪为副元帅的方案，维持下来，由大元帅暂行总统职权，但黄兴深有顾虑，他认为黎元洪是首义的元勋，如果现在让他屈居副职，恐怕武昌方面的同志会有意见，因而致电推辞了大元帅的任命。代表会又于１２月１７日改举黎元洪为大元帅，黄兴为副元帅。这时，黄兴已接到孙中山回国的电报，又觉得抢先一步到南京就职，将使孙中山感到不快，并且会使党内同志发生猜疑。所以，对副元帅的职务也坚决推辞不接受，临时政府面临着“难产”的局面。
孙中山得知武昌起义成功的消息后，立即奔波于美、英、法等国，呼吁财政和外交支持，但未获实质性的援助。回国后，当选为临时政府大总统，１９１２年元旦，宣誓就职。
武昌起义爆发时，孙中山正在美国北部科罗拉多州进行筹集革命经费等活动，对武昌起义并无预闻。１９１１年１０月１２日中午，孙中山上街到饭店吃饭，购得一份报纸，见有一则消息：“武昌为革命党占领”，喜出望外。他心情很激动，本想由太平洋回国亲自指挥作战，“以快生平之志”，但又想到共和国即将成立，将遇到外交、财力方面的困难，尤其担心列强某些国家可能会联合起来反对革命，决定先在外交上进行活动。他认为在这个时候尽力于革命事业，“不在疆场之上，而在樽俎之间，所得效力为更大”。应该周旋于列强各国，办理外交，以断绝清政府的后援，为革命党人寻求外交上的支持。他幻想中国革命能够争取帝国主义的同情，得到帝国主义的帮助。
孙中山认为在当时列强各国中，美国政府对中国采取门户开放、机会均等政策，对革命无成见；法国政府与民间对于革命皆有好感；德国、俄国则倾向于清政府，以往革命党与其政府和民间交际甚少，他们的政策无法了解；日本与中国最密切，民间志士多同情中国革命，但是日本政府过去曾应清政府要求将自己逐出国境，其方针不可推测；英国民间多同情中国革命而政府则惟日本马首是瞻。总起来说：“美、法两国，则当表同情革命者也；德、俄两国，则当反对革命者也；日本则民间表同情而其政府反对者也；英国则民间同情，而其政府未定者也。”孙中山认为，在外交上可以影响中国革命成败的应当为英国。英国如果反对中国革命，那么日本政府也将成为革命党人所忧虑的对象了。于是，他决定转道纽约赴英国。
孙中山在往纽约的途中，曾写信给英国金融界代表，呼吁伦敦、纽约、旧金山、新加坡、西贡和马来西亚等地的财政金融资本家给予中国革命以财政上的支持。途经圣路易城时，孙中山又见报载：“武昌革命军为奉孙逸仙命令而起者，拟建共和国体，其首任总统当属之孙逸仙。”从此，他行动缜密，避却一切报社记者的访问。２０日到了纽约，获悉胡汉民、朱执信正谋取广东。为减少同志的伤亡，孙中山致电两广总督张鸣歧，劝他献城归降，则可令革命党保全他的性命。孙中山向美国政界、财界说明中国革命的宗旨，要求他们予以同情和支持。同时，还派人游说日本驻美代理大使，希望日本能同情中国革命者，不要支持清朝政府。
１１月１１日，孙中山从纽约到达伦敦。他在英国进行了一系列的外交活动和工作。他通过美国人咸马里介绍，与英、美、法、德四国银行团代表会谈，磋商停止给清政府贷款的问题。银行团代表则回答说，贷款一事须听从外务大臣的命令，不能自由做主。孙中山又委托维加炮厂经理道森为代表与英国外交大臣会谈，向英政府提出要求：停止对清政府的一切借款；制止日本政府援助清政府；取消英属各地放逐令，以便取道回国。三项要求都得到英政府的同意。之后，他又与四国银行团商谈革命政府借款之事，银行团对他说：“我们政府既然已经答应你的要求，让我们停止借款给清政府了，那以后银行团借款给中国只能和新政府交涉，所以必须在你回国成立正式政府之后才能洽商。”孙中山在英国的外交活动，尽了自己最大的努力，取得了一定的成果。
１１月２１日，孙中山到法国巴黎继续进行外交活动，他与法国东方汇理银行总裁西蒙举行会谈时，提出“重掌握海关及其税收”，“取消厘金”等主张，并要求给中国革命政府以贷款，均遭到拒绝。孙中山又到法国参议院，分别拜访了法国参议员、前外交部长毕盛和众议院的一些议员，希望法国政府承认中华民国。他还与法国首相格利门梳（即克列孟梭）进行诚挚的会晤，访问了法国的朝野人士。他所得的印象是，各帝国主义国家“皆极表同情于我”。但事实上，从中国共和政府成立，到以后反对军阀的斗争，再到孙中山逝世，都没有得到英、美、法、日等列强的支援。相反，他们同情和支持的是革命政府的敌人袁世凯、冯国璋、段祺瑞、曹锟、吴佩孚、陈炯明等反动军阀。到了晚年，孙中山才认识到“反革命之恶势力所以存在，实由帝国主义卵翼之使然”，“十三年来之战祸直接受自军阀，间接受自帝国主义”。然而，孙中山在国共合作之前的漫长革命生涯中，对此并没有足够清醒的认识。
在这段时期，国内的革命形势又有了新的飞跃发展，同时也出现了更为复杂的情况。一方面，随着宣布独立、响应起义的地区越来越多，在商讨组织民国临时政府的时候出现了争权夺利的现象。另一方面，南方的立宪派和旧官僚则极力从革命内部攫取权力，并与清政府新内阁暗中勾结。在这历史转变的重要关头，孙中山在接到国内一再敦促他回国的电报后，于１９１１年１１月２４日，从法国马赛港乘轮船回国。
１９１１年１２月２５日，孙中山抵上海
１２月２５日，孙中山从香港抵达上海，受到各界人士的热烈欢迎。作为资产阶级革命领袖，孙中山的影响是无与伦比的，地位是大家公认的。回到上海，外间传闻他带回巨款，有记者询问此事，孙中山明确回答：“予不名一钱也，所带回者革命之精神耳！”的确，孙中山带回的“革命之精神”一扫上海的妥协论调，民气为之一振。反对妥协的革命党人聚集在孙中山周围，坚持革命统一全国和创建中央政权。２９日，各省代表会议在南京选举总统。
在采用何种政权组织形式的问题上，同盟会内部出现了分歧。宋教仁主张内阁制，孙中山则主张总统制。黄兴赞同孙中山的主张，多数人赞成总统制。１７省４５人出席选举临时大总统，候选人有三：孙中山、黎元洪、黄兴，每省一票。选举结果，孙中山得１６票，黄兴得１票，孙中山依法当选为中华民国临时大总统。
１９１２年１月１日，孙中山在南京就任中华民国临时大总统。他在就职典礼上宣誓：
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。
宣誓完毕，代表会授给孙中山以大总统印，并致祝词。孙中山启印钤于宣言书。宣言书对内提出五大政务方针，即“民族统一”、“领土统一”、“军政统一”、“内治统一”、“财政统一”。对外方针是：“满清时代辱国之举措与排外之心理，务一洗而去之；与我友邦益增睦谊，持和平主义，将使中国见重于国际社会，且将使世界渐趋于大同。”全国各地纷纷发来贺电。
代表会议定五色旗（原江、浙、沪联军攻克南京所用）为国旗，十八星旗（原武昌起义所用）为陆军旗，青天白日旗（原为陆皓东设计广州起义时所用）为海军旗。临时政府组织大纲中，本来只有大总统，无副总统。行政各部只有外交、内务、财政、军务、交通五部。湖南代表宋教仁提议在大总统外加一副总统，行政各部不加限制，这一提案获代表会议通过。接着，通电各省废除阴历，改用阳历，并以临时大总统任职的一月一日（黄帝纪元四千六百零九年，即阴历辛亥年十一月十三日）作为民国建元的开始。
孙中山就任临时大总统后内外交困，革命阵营内部主张南北议和，确定了“虚位待袁君反正来归”的方针。清帝退位后，孙中山交了权，并受袁世凯之邀，要到北京去办铁路。
孙中山作为中华民国临时大总统，仅在职９０天便让位于袁世凯了。照理说，孙中山担任总统是众望所归，而袁世凯乃“巨奸大憝”，居然能迫使孙中山让位于他，其间症结何在？
袁世凯系当时清廷的内阁总理大臣，大权在握，而且，他又特别擅长玩弄两面伎俩，南京临时政府内部拥袁者大有人在，主张南北妥协的气氛颇为浓厚，这就给袁世凯最终攫取革命果实提供了一个绝好的条件。
在革命政权内部，孙中山的威望虽高，但真心实意拥孙为大总统的人却不多，尤其是那些头面人物。卷入革命内部的立宪派，以张謇为代表，害怕革命继续发展将危及自己的既得利益，希望既有武装又有帝国主义列强作靠山的袁世凯出来维持“秩序”和“治安”，以平息动荡的局势。
孙中山所信任的胡汉民和汪精卫也力主和议，胡汉民认为“先生于时，亦不能委曲以从众议”，而这“众议”，即和议妥协于袁世凯，汪精卫则变节投袁，以“国民党代表”的身份，无耻地向袁世凯表示拥戴：“中国非共和不可，共和非公促成不可，且非公担任（总统）不可。”“世凯之利，亦即革命之利”，而且诘问孙中山：“你不赞成和议，难道是舍不得总统吗？”向往于所谓“睿圣仁强之大人”统治中国的章太炎也看中了袁世凯，视之为未来中国惟一合适的统治者。他极力贬低孙中山，主张“虚大总统以待北方之英”。连孙中山的左右臂黄兴也认为，只要袁世凯肯推翻清室，我们就可给他一个民选的总统。
与此同时，袁世凯对革命党人也采取一拉一打，以打促拉的策略。他既要利用革命党的势力来向清廷施压，又要迫使革命党人对他取妥协态度。汉口、汉阳相继失陷后，更加剧了革命党内的妥协气氛。１９１１年１２月２０日早８时南北双方实现停战。也是在这一天，在汉口英租界开会的各省代表决定，如果袁世凯“反正”，就公举他为临时大总统，举袁为大总统来代替孙中山已成为革命阵营内部的主调。
孙中山本人，在思想上对袁世凯的认识也是相当模糊的。早在１１月２１日孙中山到巴黎时，就发出“随宜”推黎（元洪）或推袁（世凯）的电报，在初抵国门时也有“以和平收革命之功”的设想。对袁世凯，孙中山是戒备与幻想并存的。这些都使他在拒绝南北和议的问题上自相矛盾，从而使其坚定性大打折扣。
在袁世凯战场与谈判桌交替使用、帝国主义列强威胁、南方革命派内部妥协调子的压力下，再加上孙中山本人的错误判断，孙中山在任临时大总统时对袁世凯作出了“虚位以待”的承诺，表示只要“清帝退位，共和既定”，他就愿意让位于袁世凯，并且认为“以功以能，首推袁氏”。待袁世凯反正来归，孙中山最终交出了总统大权。
孙中山在临时大总统任上仅９０天。即使这９０天，他也未曾真正地使总统的职权完全发挥出来，他不是傀儡总统，而是依自己的实际威望经过选举合法当选的首任大总统。那为什么到头来他只落得个“号令不出百里”呢？
孙中山当选为中华民国临时大总统后，着手致力于改变旧中国。在临时政府存在的不到一百天里颁布了一系列有利于民族资产阶级、有利于中国社会发展的政策法令和革新措施。但从其真正实施并取得成效这一角度来讲，这些政策法令和革新措施基本上没有实际起过作用，因此就出现了只见总统制定法令，却没有人执行的局面。
民国政府当时还处于摇摆未定之中，因此军事和财政就显得格外重要。而越是在军事和财政这样关系政府存亡的大事上，孙中山就越显孤单无助，其总统之权也越显苍白无力。
南京临时政府成立后财政极端匮乏，海关为帝国主义列强所把持，盐税等被实业总长张謇牢牢控制，各省军政府又死死截住地方向中央上缴的财政收入，临时政府根本无法拿出钱来支付日常经费，尤其是军费。而各地要求经费、军费的电报纷沓而至，以至于陆军总长黄兴因筹不到军费而急得吐血。
作为临时大总统的孙中山，也曾想方设法筹集资金，但只是一些华侨的募捐，无异于杯水车薪；试图得到外国政府的支援，也仅仅是幻想；情急之中甚至同西方列强签订不平等的借款条约，这不仅没有解决问题，相反却使临时政府的声誉受到严重的损害。
在政治上，孙中山这个总统也是极其“窝囊”的。他想以承认所有不平等条约来换取列强的承认，但一直到他辞职也没有哪个国家表示承认；对“北方之英”的袁世凯，孙中山不仅未能反对和议，反而还被迫应允和议，直到最后放弃自己的辞职条件，并依“承诺”交出总统大权；就是连同盟会和临时政府也因孙中山无法掌控而陷入分崩离析、各自为政的状态。
身为临时大总统，却无法使总统之令落到实处，无怪章太炎嘲笑道：“政府号令不出百里，孙公日骑马上清凉山耳。”这是孙中山的悲剧，也是时代的悲剧。
就这样，革命果实渐为袁世凯所篡夺：１９１２年２月１２日清帝宣布退位；１５日，参议院选举袁世凯为第二任临时大总统；３月１０日，袁世凯在北京宣布就任临时大总统；４月１日，孙中山宣布解除临时大总统职务。
孙中山在临时参议院解除临时大总统职务时留影
总统，这个在民国政府拥有无上权力的职位，就这样从开国元勋手中转到了窃国大盗手中。
袁世凯不满足于仅仅做中华民国的临时大总统，他不但要做正式大总统，而且还做着至高无上的皇帝美梦，他用各种手段，一步步为攫取最高权力做准备。袁世凯为打击革命力量采取的第一步是裁减革命军队。他于３月３１日发布所谓“训勉军人令”，强调“服从统一命令”、“保持地方秩序”。南京政府撤销后还有十几万军队分布在南方各省，袁世凯借口经济困难不发给军饷，以黄兴为首的革命党人为表示对北京政府的支持和诚意，通令各地革命军自行裁兵或解散。于是，在革命军中出现了“功成身退”、“解甲归农”的热潮。
袁世凯在解除了革命党的武装之后，接着就准备把临时政府改造成为他实行独裁的政治工具。１９１２年６月，袁世凯逼走倾向革命的内阁总理、同盟会员唐绍仪。接着，又推举外交总长、自己的心腹陆征祥为内阁总理，国会内的共和党和统一党议员秉袁旨意推举陆正式组阁；同盟会阁员蔡元培、王宠惠、宋教仁、王正廷等以辞职抗议，陆被迫辞职。袁世凯又推出爪牙赵秉钧为内阁总理，因赵挂名同盟会，故通过。７月２３日，袁世凯又提出６位亲信阁员，要参议院通过，并唆使手下一批“军棍”发传单、打电话、写黑信，对议员进行恫吓，最后总算通过。
袁世凯上台后便大耍手腕，为了掩人耳目，几次电邀孙中山、黄兴赴京举行没有名目的会谈。孙中山辞去临时大总统职务后并没有预料到革命成果已被颠覆，而欲以在野之身从事实业建设，决心走实业救国之路。在接到袁的邀请后，孙、黄复电袁世凯，表示“拟援数日即同北上”。一时间，社会舆论纷纷，有人认为双方将“握手言欢”，“天下大计，将由此而定”。
而大多数革命党人极力反对孙中山北上。就在孙中山准备动身的时候，８月１８日上午，传来袁世凯受黎元洪唆使，在北京枪杀武昌起义革命军官张振武、方维的消息。张、方事件发生后，各地革命党人纷纷劝阻孙、黄北上。孙中山劝黄兴不要去，但自己决意北上，他幻想说服袁世凯当好总统，并搭乘“安平”号货轮于１８日下午４时从上海起航。孙中山对送行的人说：“无论如何不失信于袁总统，且他人皆谓袁不可靠，我则以为可靠，必欲一试吾目光”。
孙中山北上态度之坚决，是有其想法的，从他给宋教仁的信上可以看出来：民国大局……必先从根本下手，发展物力，使民生充裕，国势不摇，而政治乃能活动。弟刻欲舍政事，而专心致志于铁路之建筑。
８月２４日，孙中山一行到达北京。袁世凯以欢迎元首的礼遇隆重欢迎孙中山，并于当晚设宴款待孙中山一行。孙、袁二人晤谈甚洽，“欢若平生，恨相见晚。即留驻府中与袁畅论时事，至夜半犹未辍谈。”“二君所谈事务甚多，……彼此意见均相吻合，以故孙君颇以为幸。”孙中山此次留京２５天，同袁世凯晤谈１３次。袁对孙的主张无不“推诚接纳”，孙中山深以为慰。孙中山在８月２９日给黄兴的电文中说：“到北京后，与项城接谈两次，关于实业各事，彼亦尚有计划，大致不甚相远，至国防外交所见略同，以弟所见，项城实际陷于可悲之境遇，而绝无可疑之余地。”
在孙中山的劝说下，黄兴也从上海北上，于９月１日到达北京。孙、黄二人相约放弃正式总统的竞选，要让袁世凯作总统十年，而孙自己则“经营铁路设计，把铁路线延长二十万里，民国即可富强。”为了增加兴办铁路的知识，９月６日孙中山到张家口视察詹天佑设计修筑的京张铁路。袁世凯也表示对孙中山兴办铁路的支持，于９月９日授孙中山以筹划全国铁路全权，月薪３万元。
在与袁世凯会谈后，孙中山便计划在北方各地视察铁路、煤矿、铁矿等情况，准备兴办实业。孙中山离京以后，先后考察了华北、华中的北宁、津浦和胶济等铁路线，视察了九江、南昌、杭州等地，此时的黄兴也生出功成身退之意。１０月，他由北京到上海，随后去湖南故乡，并写下这样的诗句“卅九年知四十非，大风歌好不如归。惊人事业随流水，爱我园林想落晖。”
然而孙中山筑路强国的美妙设想没过多久便如美丽的肥皂泡一般幻灭了。
