黄兴到了武昌后，毅然挑起了指挥全军的重担。听说汉口战事最激烈，立即赴汉口督战。义军听说黄兴来到前线，军心大振。这时，革命军和清军交战了10余日。黄兴重新调整了战略部署，发动反攻，夺回了几处阵地。清军见汉口一时攻不下，竟纵火焚烧街市，以致全城四处起火，革命军无法立足，不得不移师武昌。黄兴召开军事会议，分析了当前局势，决定先撤出汉口，固守汉阳，待湖南援军一到，再行反攻。在这次会议上，黄兴当选为中华民国军政府战时总司令。
黄兴紧接着就亲临前线，把司令部设在汉阳昭忠祠。随后发动士兵利用汉阳兵工厂的材料，日夜构筑防御工事，固守汉阳。不久，湖南援军陆续抵达，16日兵分3路进攻汉口，当晚他率领部队发动进攻。由于清军火力强大，加之黄兴统率的各路军缺乏训练，配合不好，没能打败清军。黄兴只得带领部队回守汉阳，他冒着枪林弹雨，亲自在火线上督战。清军炮弹一个接一个落在他身边，随从强拽硬拉，才把他拖下前线。尽管黄兴率部拼死奋战，但在清军不断增援的情况下，汉阳还是失陷了。黄兴不得已乘船退回武昌。从10月28日到11月27日，黄兴在武昌前线奋战了整整1个月。汉阳虽然失守，但在当时是个了不起的战绩，不仅保卫了湖北军政府，并且有力的阻击了清军，促进了全国革命形势的急剧发展，最终推翻了腐败的清王朝，迎来了中华民国南京临时政府的诞生。