受到清朝政府全力追緝的影響，自1907年起孫中山便長期居留歐美各國。武昌起義時，孫中山人在美國丹佛而不在中國。初聞革命成功時，孫中山還有些訝異，但隨即在海外華人與美國的同情者間籌集資金。12月20日孫中山趕赴上海，並於28日被推選為中華民國臨時大總統，於1912年1月1日（辛亥十壹月十三日）在南京宣誓就任，並循革命軍與袁世凱的秘密協議，特申“顛覆滿洲專制政府，鞏固中華民國，圖謀民生幸福……至專制政府既倒，民國卓立於世界，即當解臨時大總統之職”。月底組成臨時參議院。民國元年2月12日，清帝溥儀發布《退位詔書》，孫中山即於13日向參議院請辭並舉薦袁世凱以自代。茲後苦心孤詣協助袁氏依民主程序選任、就職、組職內閣，尤特重其向國民宣誓壹事，引導袁氏步入民主程階。
當時孫中山領導的臨時政府實力有限；雖然大部分的省份已脫離清政府的控制，可主要的軍事憑借卻是各地的團練與新軍，或是混入部分華僑以及洪門與旗下哥老會的成員，無論在裝備與士兵素質上，皆無法與清朝主力北洋軍抗衡。此外由於孫並未實際投入革命戰事，故各省的革命勢力紛紛推出自己的領導，使革命勢力呈現多頭馬車的情形。革命軍被北洋軍接連擊敗後，孫中山決定與北洋軍的統帥袁世凱和談，希望通過給予袁臨時大總統的職位，讓袁成為清朝垮臺的最後關鍵。最後孫與袁達成協議：孫中山的臨時大總統由袁接任，袁則以實際行動迫使清朝皇帝退位。同年2月12日，清朝皇帝接受袁的條件，下旨遜位，中華民國終完全取代過去的帝國體制。隔日2月13日孫辭去臨時大總統，向臨時參議院推薦袁世凱接任。