起义部队兵分三路，于10月10日夜间进攻湖广总督署，10月11日晨光复武昌。10月11日中午，在湖北咨议局召开了联席会议，商议组织军政府，起义众人认为自身声望不足，欲推举协统黎元洪任都督，黎元洪不同意，后来吴兆麟以总指挥的身份提议公举黎元洪为都督，汤化龙为民政总参长。中华民国军政府鄂军都督府成立后，吴兆麟任谋略处谋略。武汉保卫战时，吴兆麟历任民军第一协统领，鄂军都督府参谋部副部长、部长，战时总司令部副参谋长等职务，曾经亲自赴汉口督战。黄兴来到湖北防守汉阳时，吴兆麟率参谋数人，协同办理军务，在前线和鄂军都