各省相继脱离清政府以后，都各自建立了军政府，但各省之间各自为政，互不联系。因此，急需要建立一个统一的领导机关。经过武汉方面和上海方面的积极筹备，12月3日，公布了《中华民国临时政府组织大纲》，关且决定将临时政府设在南京。12月12日，各省代表分别从上海和武汉到达南京。14日，代表们在江苏省谘议局开会，决定16日选举南京临时政府临时大总统。此时，清政府内阁总理大臣袁世凯，派人到武汉，向革命派表示，袁世凯也赞成共和。原先代表们在武汉开会时，为了争取袁世凯反戈一击，早日推翻清政府，曾经作过决议，即如果袁世凯能促使清皇帝退位，就推选他为临时大总统。如今既然袁世凯表示赞成共和，代表们便决定暂缓选举临时大总统，等待袁世凯。
正在这时，孙中山从海外归来了。
10月12日孙中山在美国得知武昌起义胜利的消息，欢欣异常。当即决定启程回国。本来，从美国经太平洋回国，二十几天就可以到达上海。但是，他为了解决即将诞生的共和国的外交和财政问题，决定到欧洲进行游说，然后再回国。
11月24日，孙中山由法国启程回国， 12月20日，孙中山一行经过香港，胡汉民和廖仲恺等到轮船上同中山先生会晤，日本友人宫崎寅藏等专程前来相见。25日，船到长江吴淞口，上海军政府派建威号兵舰前去迎接。这天早晨，上海外滩十六铺金利源码头上挤满了欢迎的人群，各国驻上海领事和外国记者也都赶来欢迎。当轮船来到码头还没靠岸时，身穿黑色西服的孙中山，神采奕奕，站在轮船的上层，微笑着向鹄立岸边的欢迎群众，频频招手致意。孙中山刚一登岸，就被一群中外记者团团包围起来。有一位记者，挤到道面，冲着孙中山直接了当地问：“您这次带多少钱来啦！”原来在孙中山还没到上海之前，中外许多报纸纷纷传言，孙中山这次将带一笔巨款回国。孙中山斩钉截铁地回答说：“我没有一分钱，所带来的只是革命的精神！”
孙中山下榻在早已为他准备好的宝昌路408号。他语重心长地对《民立报》的记者说：“从前的种种困难虽然已经破除，但今后还有比从前更大的困难。今日除非我们用一种真精神真力量，战胜这种困难，否则，过去的一切辛苦都将归于无效。”
孙中山从国外归来，选举他担任临时大总统已是众望所归。许多团体纷纷给南京的各省代表打电报，表示：“请举孙中山先生为总统，以救民国。兆众一志，全体欢迎。”海外的革命同志也致电国内，请求选举孙中山先生为总统，以“内慰舆望，外镇强邻”。
1911年12月29日，在南京的17省代表45人在江苏省谘议局会场开会，正式选举临时大总统。候选人是孙中山、黎元洪和黄兴3人，根据《临时政府组织大纲》规定，每一个省的投票权只以一票为限，也就是说，每个省只能投一票。选举结果，孙中山先生以16票当选。一经宣布，全场顿时欢腾起来，全体代表起立，连声欢呼“中华共和国万岁！”代表们当即作出决议，由各省代表签名，写信给孙中山先生，派专人到上海，迎接孙中山先生来南京。还决定将选举结果立即电告中山先生及各省军政府。
在上海的孙中山获悉他被选举为临时大总统的消息后，立即复电南京各省代表，表示接受。他在电文中说：“光复中华，皆我军民之力，文子身归国，毫发无功，竟承选举，何以克当。惟念北方未靖，民国初基，宏济艰难，凡我国民，具有责任。”他还在电文中表示，不久将去南京就职。同一天，孙中山又致电已经独立的各省都督，表示各省选举他为总统，只是认他为公仆。
1912年元旦。这一天，孙中山身穿黄色呢军制服，头戴军帽。上午10时，同专程前来迎接他的南京代表汤尔和、王宠惠及他的随行人员，乘沪宁铁路专车启程，前往南京。上海都督陈其美及同盟会的要人，还有军政各界人士，共数千人到车站送行。近万名群众，自动地汇集在火车站附近，争着看一看大总统的风采。当火车徐徐启动时，礼炮齐鸣，站台内外，欢声雷动。孙中山先生一行在沿途各站都受到各界群众的热情欢迎。当天下午5时，火车到达南京下关车站，欢迎的人们早已等候在这里。火车进站后，礼炮齐鸣，军乐声声，欢迎的场面非常热烈。
临时大总统府设在南京城内旧两江总督衙门内，太平天国时，也曾在这里设天王府。下午6时15分，孙中山一行所乘的专车到达总督衙门，下车后，孙中山换乘扎彩绸的马车直奔总统府。黄兴，徐绍桢等人在总统府门前迎候。
晚上10时，在临时大总统府大公堂举行大总统受任典礼。黄兴站在孙中山左边，徐绍桢站在右边，各省代表及各军政官员，分别列队站在台阶前。仪式庄严朴素。典礼开始，首先奏军乐，接着由景耀月报告临时大总统选举的经过，报告完毕，由孙中山宣读誓词：
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，文实遒之以忠于国，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，谨于此誓于国民。
宣读誓词后，孙中山发布《临时大总统宣言书》，接受临时大总统印，并亲自将“中华民国临时大总统印”盖在宣言书上，由胡汉民代为宣读。孙中山下令定国号为“中华民国”，同时，采用阳历，以黄帝纪元四千六百零九年十一月十三日为中华民国元年一月一日。
1月3日，各省代表举行会议，选举黎元洪为南京临时政府副总统。同一天，根据孙中山的提议，经各省代表讨论，确定了临时政府各个部的总长和次长。临时政府下共设陆军、海军、外交、内务、财政、司法、教育、实业、交通九个部。南京临时政府正式建立。
在中国建立一个资产阶级民主共和国，是革命党人多年为之流血奋斗的目标。中华民国在东方大地宣告成立，从此结束了两千多年的封建帝制。民主共和国的观念从此深入人心。正如孙中山所说：“予三十年如一日之恢复中华、创立民国之志，于斯竟成。”
孙中山就任临时大总统后，廉洁奉公，殚精竭虑，为新生的资产阶级民主共和国日夜操劳，在他简朴的办公室里，悬挂着他亲自题写的“奋斗”条幅，表示他永不停息地奋斗、前进！
在孙中山的主持下，制定了一部《临时约法》，这是一部具有资产阶级共和国宪法性质的根本大法，开创了中国宪法史上的第一章。
南京临时政府在孙中山的主持下，制定和颁布了一系列有利于经济发展和社会改革的政策、法令。临时政府奖励兴办工商业，欢迎华侨到国内投资。当孙中山在国外得知武昌起义胜利的消息后，便为未来的共和国设计了发展经济的蓝图。在他从欧洲发给湖北军政府的电报里，就指出：“此后社会当以工商实业为竞点，为新中国开一新局面。”在发展经济的同时，南京临时政府还颁布了一些扫除积弊、改革陋习、建立新制的法令，如剪除男人的发辫、禁止妇女缠足，禁止买卖奴婢等等。临时政府为了改革教育，也制定一些政策。这些法令政策都反映了资产阶级政权希望以一个崭新的面貌出现在社会上，它比封建专制制度要优越得多。
武昌起义的胜利和南京临时政府的成立，震动了东西方的帝国主义。他们采取种种办法，对中国革命进行干涉和破坏。武昌起义后，为了迫使革命军和袁世凯妥协，便由英国驻汉口总领事出面，进行“调停”，12月初，南方革命军代表及北方袁世凯的代表在上海开始和谈。正在和谈进行的时候，孙中山回国，当选为临时大总统，并成立了南京临时政府。袁世凯大为恼火，否认南北双方所订的一切条款。
孙中山回国之初曾经表示，“革命之目的不达，无和议之可言。”可是当他看到和议已即成事时，被迫作出让步。袁世凯打电报给孙中山，试探性的问他：如果清帝退位，选他当总统“有何把握”时，孙中山回电表示：“如清帝实行退位，宣布共和”，他则正式宣布辞职，推举袁为总统。袁世凯在确知孙中山的保证后，便立即迫使清帝退位。1912年，2月12日，清帝溥仪颁发退位昭书，宣布退位。2月13日，袁世凯致电南京临时政府，宣布“共和为最良国体，从此努力进行，务令达到圆满地位，永不使君主政体再行于中国。”当孙中山确知清帝退位和袁世凯赞成共和后，便于2月13日向参议院提出辞去临时大总统职务的谘文。15日，参议院选举袁世凯为临时大总统，3月10日，袁世凯在北京就职。4月1日，孙中山正式解除临时总统的职务，同一天离开总统府，5日参议院决定临时政府迁往北京。袁世凯终于攫取了辛亥革命的果实。从此，中华民国开始了北洋军阀政府的统治。
由于内外反动势力的联合进攻和资产阶级革命派的软弱，辛亥革命果实落入了袁世凯手中。但是，辛亥革命把皇帝赶下台，建立了共和国，这是划时代的胜利。民主共和的潮流滚滚向前，是任何力量也阻止不了的。
