受到清朝政府全力追缉的影响,自1907年起孙中山便长期居留欧美各国。武昌起义时,孙中山人在美国丹佛而不在中国。初闻革命成功时,孙中山还有些讶异,但随即在海外华人与美国的同情者间筹集资金。12月20日孙中山赶赴上海,并于28日被推选为中华民国临时大总统,于1912年1月1日(辛亥十一月十三日)在南京宣誓就任,并循革命军与袁世凯的秘密协议,特申“颠覆满洲专制政府,巩固中华民国,图谋民生幸福……至专制政府既倒,民国卓立于世界,即当解临时大总统之职”。月底组成临时参议院。民国元年2月12日,清帝溥仪发布《退位诏书》,孙中山即于13日向参议院请辞并举荐袁世凯以自代。兹后苦心孤诣协助袁氏依民主程序选任、就职、组职内阁,尤特重其向国民宣誓一事,引导袁氏步入民主程阶。
当时孙中山领导的临时政府实力有限;虽然大部分的省份已脱离清政府的控制,可主要的军事凭借却是各地的团练与新军,或是混入部分华侨以及洪门与旗下哥老会的成员,无论在装备与士兵素质上,皆无法与清朝主力北洋军抗衡。此外由于孙并未实际投入革命战事,故各省的革命势力纷纷推出自己的领导,使革命势力呈现多头马车的情形。革命军被北洋军接连击败后,孙中山决定与北洋军的统帅袁世凯和谈,希望通过给予袁临时大总统的职位,让袁成为清朝垮台的最后关键。最后孙与袁达成协议:孙中山的临时大总统由袁接任,袁则以实际行动迫使清朝皇帝退位。同年2月12日,清朝皇帝接受袁的条件,下旨逊位,中华民国终完全取代过去的帝国体制。隔日2月13日孙辞去临时大总统,向临时参议院推荐袁世凯接任。