革命军九月十二日失去了汉口，十四日就得了比汉口更重要的上海，接着十五日浙江全省独立，十六日光复苏州，十月七日汉阳撤退后，十二日就攻克了南京，使革命势力并未减弱，反而蓬勃。南京攻击战是一场硬仗，战斗经过有一段曲折而复杂的过程。
当时在南京的，有两江总督张人骏，江宁将军铁良，他们所恃的武力，是江南提督兼钦差江防大臣张勋的部队。张勋在南京城内一枝园设立大本营，用极惨酷的手段镇压南京人民，一枝园、浮桥一带军警林立、杀气腾腾，行人却步，凡是剪了辫子的人，被捕、被杀，不计其数，没有头发的人头高悬在大行宫、花牌楼一带，整个南京变成了恐怖世界。
南京城外雨花台、马神庙、秣陵关一带是徐绍祯的防区。徐是新军第九镇统制兼江北提督，他和张勋曾为了革命问题几乎动了武。徐主张参加革命，张反对，于是徐便单独到上海投奔革命阵营，并在上海筹组苏、浙、沪联军，进攻南京，推举徐为联军总司令，于右任为秘书长，孙毓筠为副秘书长。下辖：宁军司令柏文蔚、镇军司令林述庆、苏军司令刘之洁、沪军司令洪承典、浙军司令朱瑞、淞军司令黎天才、沪军先锋队司令丁怀瑾等。联军总部设于镇江洋务局。
十月初三日联军与张勋部队战于孝陵卫，张军败北。初五日淞军黎天才部攻占乌龙幕府两山，浙军朱瑞部同时占据马群附近要隘，攻占孝陵卫。
此次战役，同盟会员丁怀瑾（号石生）有《辛亥光复沪宁记》，记载其事，兹录于后：
辛亥秋，余自日本偕同志返沪滨，组织敢死队，宁波留日同学胡以鲁（号仰曾）赠词以壮行色，兹录其词及序：石生先生组决死队回国，参与光复重任，奉此词以壮行，并同队诸志士，仰曾敬赠，词曰：秋风肃肃送君新桥（日本东京车站之名），行矣哉故国非遥，恢复中华在崇朝，行矣哉气爽秋高，落红不是无情物，为国捐躯此七尺。
光复春申，参与之革命志士不满百人，推陈英士同志都督沪军，劝黎天才统领率部来归，余并促黎一军进占金陵城外之鸟龙、幕府两山以据形势；守金陵者为辫子将军张勋，遣城内防军拂晓出击，见两山已悬白帜，乃屯于山下不敢进。浙江朱价人进攻紫金山，以无炮队久不下，余乃函英士商拨炮营助攻。复约黎天才，以旧有江上炮台可转射南京城内，惜我军无习炮术者，余于山下遇一旅行之英人，知系海军，邀返炮台，渠握其机钮，即灵转自如，发炮三枚，攻城内北极阁等要地。适两江总督张人骏、提督张勋并各司道会议阁上，闻炮声骇散。不二日而英国领事偕道员郭某，奉命悬白旗来商罢战，南京乃告光复。
余有南京光复诗纪其事，中有两句云：“两张（即两江总督张人骏，提督张勋）心胆应惊碎，一炮声威欲避难。”
南京之光复也，张勋率众退出临淮，转赴徐州。黎天才军先入，浙军暨沪军先锋队各分道入，是时先后入驻金陵一带之联军，有徐固卿部，皖军柏烈武部分驻江南北，而金陵都督一席争执殊烈。余既电促先总理早日回国，且劝黎天才速就都统，率师援鄂，一场风波得以镇定。辛亥光复南京之初，尧化门为军事重地，苏州程雪楼都督亦来驻，一日余带炮兵抵此，参加紫金山之战，有壮马，程感兴趣，意欲试骑而足不灵。时有两僧方来自金陵城内，欲谒都督报告军情，及见程乃仅云：城内人心惊惶，张大帅爱姬小毛子已北去云云。余纪事诗中有两句云：跛足将军欲乘马，秃头和尚大吹牛。时浙军协统朱价人（瑞）见之，为之捧腹，云可寄与英士作沪军都督府一段谐谈也。
这是丁怀瑾（石生）亲身经历光复南京的笔记，不仅有史料价值，而且轻松有趣。
光复南京的联军总司令徐绍祯，字固卿，广东番禺县人，曾任福建武备学堂总办，江西常备军统领。两江总督李兴锐调他为两江兵备处总办，兼新军第九镇统制。第九镇是中国首先实行征兵制的新军。当江北提督、会办江防大臣王士珍丁忧辞职时，清廷派徐兼摄江北提督。他这时已同情革命，引进同盟会会员柏文蔚、冷遹、赵声等为管带。南京临时政府成立后，徐自动撤销联军司令部，所部交陆军总长黄兴直接管辖。孙中山先生曾任命徐为南京卫戍总督，后来孙中山先生卸除临时大总统，南京卫戍部并入南京留守府。孙中山先生为了酬庸徐革命功绩，乃赠以八厘公债100万元，徐提出1．4万元为《民立报》的补助费，1万元为女子北伐队的结束费，其余一概奉还政府，颇有清誉。
徐的顶头上司是江防大臣张勋，两人为了革命几乎决斗。联军攻克南京时，捕获张勋爱妾小毛子，徐把她安置在门帘桥陈善家中，上海都督陈其美主张把小毛子解到上海，陈列张园任人参观，收门票四角。因小毛子有艳名，据说门票可收入10万元，以助军饷。徐不同意，并派陶逊护送小毛子到徐州，交还张勋。张大喜过望，派辫子兵排队到车站迎接陶逊，并将所扣100辆火车交还铁路局以作报酬。
清军攻下汉阳后，清廷加封袁世凯为一等侯爵。袁世凯这时已受任组阁了，他对于侯爵之类的殊荣已不感兴趣，他的辞爵奏折可以看出当时清廷的内外处境：
“内阁总理大臣袁世凯跪奏，为沥陈下情，恳恩收回封爵成命，恭折仰祈圣鉴事：本月初八日奉旨：‘朕钦奉隆裕太后懿旨，内阁总理大臣袁世凯公忠体国，懋著勤劳，自受任以来，筹划国谟，匡襄大局，厥功尤伟。着锡封一等侯爵，以昭殊奖，毋许固辞，钦此。’跪聆之下，钦悚莫名。伏念臣世受国恩，屡叼殊遇，本年武汉事起，重膺疆寄，兼绾兵府，寻以更新政治，洊秉钩衡，当难阻之迭乘，愤阽危之莫挽。绵历数月，寸效未收，国势土崩，人心瓦解，千疮百孔，无术补苴，诚有如明臣史可法所言，但有罪之当诛，并无功之足录者。谨将微臣受任以来，为难情形，为我圣上披沥陈之：此次各省事变，始而军队兴戎，继而官民响应，未及一月而沦陷者十有三省，甚至畿疆东夏亦多离涣。朝廷俯顺民情，允准资政院所奏，颁布宪法信条，君权剥削迨尽，无复留转圜之余地，近人谓虚君共和者即同此意。臣入朝之初，抱定君主立宪宗旨，冀以挽救大局，虽近畿军队渐就范围，山东一省取消独立，方谓初衷可期勉遂。乃汉口甫下，海军继叛，汉阳既克，金陵复失，友邦出面介绍，以尊重人道息战和商为请，于是遣派代表，讨论大局，磋商兼旬，迄无效力。民党坚持共和，毫不通融，而顺直河南咨议局从而和之，腹地各省时虞不靖，近则库伦、伊犁、呼伦等处亦相继告变，以数百年之屏翰，亦有倒戈之形。臣苦虑焦思，深恐大局决裂，贻忧宗社，不得已沥陈实情，仰蒙慈圣召问王公大臣，询谋佥同，遂奉召集临时国会，公决国体之旨。臣之初志既已背驰，然尚望国会开成，或不至偏重共和，尚存君宪之望，乃召集地点及正式选举法皆不克议行，而纷纷电请者，不独素著时望之绅衿，曾主事功之督抚，洞达外势之使臣，即各埠商团公会，亦多坚主共和。臣独坐深思，每为泣下，诚不知人心何以如此乖离？国势何以竟对维挽？此臣奉职无状者一也。以军事言，臣起家督师之始，即以军事重大，请饷增兵，经奉准后始敢成行，饷械之筹拨，军队之召募，均未齐备，迭奉催往之命，及臣亲赴前敌，激励将士，规复汉口，若竟乘势进取，武昌未必不下。而其时朝野建议，各界争持，众口一词，皆请主抚，因之，明诏迭颁，不以兵力从事。臣奉宣德意，停止进攻，洎入都后，筹计饷需，搜简军器，无一不形匮绌，借款屡议，迄无所成。乾隆新疆金川诸役，喜庆川湘陕豫之师，饷款合计皆及万万。中兴告功，而各路销饷者至十万万。今兵食之筹备者，知本月而不知下月，幸荷慈施，屡发内帑，免于饥溃，而兵不能增，饷不能益，顾此失彼，左支右吾，江宁荆襄之不能救，弊皆坐此。兼之党人到处煽动，土匪乘机窃发，失陷之地未易复，而安靖之处亦难保无虞。民军可随时增加，我军则只有此数。东三省组织之军队，征调而弗能即至，秦晋皖豫环起之土匪，屡剿而尚未廓清，遂致军事至今亦无起色。此臣之奉职无状者，又一也。军事既属困难；外交复形棘手，即如铁路之运兵，关税之抵款，及各外国商团亦以条约失其效力，要求保护生命财产，皆事之尤为显著，旷日持久，枝节必多，理喻情求，斡旋何术。此臣之奉职无状者，又一也。至于政治因军事而延搁，腐败如前，人才以学说而推迁，振起不易，犹其小焉者也。臣以衰病之身，受恩如此，受任如此，而咎愆日积，涓埃无补，分当自请罢斥，只以累世受恩，仰见宵旰焦劳，不忍以言去者重烦圣虑，然若再受高爵，则上累朝廷赏爵之明；下辜全国军民之望，其何以昭示天下，表率群僚？唯有恳恩收回成命，使臣之心迹稍白，免致重臣之罪，无任激切屏营之至。所有吁恳收回成命之缘由，理合恭折沥陈，伏乞皇上圣鉴训示。谨奏。”
袁的这篇奏折，想学诸葛武侯的出师表，又想把自己塑造成史可法一流人物，可惜他心怀二意，所以气既不壮，意难动人，但从他这篇奏折中，可以看出当时清廷的内外情势。袁或许强调了这些情势的严重，不过当时的困难情势倒是确实如此的。
当时奉天八旗子弟曾有一封奏电，表示得非常激烈，可是也只止于表示而已，该电如下：“我奉八旗子弟世受国恩，断不忍坐视君主逊位，任彼革党强以共和虚名欺蒙，傥革党者仍不反正，东省八旗子弟定必组织决死队，附入北军，定期南征，与伊以铁血相见，先行电奏”可笑是这一个电文，既未吓倒革命军，就连清政府亦不予重视，这正应了袁世凯的话：革命军是越战越多，越打越勇，清军是越战越小，越打越怯。