6年，他在东京加入中国同盟会，捐献大笔金钱给同盟会。1906年，萍浏醴起义爆发，孙回国，在长江流域各地运动新军。后在南京被捕入狱，供述称“只谈政治革命，不唱种族革命”，两江总督端方遂替孙毓筠开脱了大逆不道的罪名，仅判处五年的监禁。1911年（宣统3年）辛亥革命中，他被革命派救出，任江浙联军总部副秘书长。1911年12月2日，安徽临时参事会选举孙毓筠为都督，聘陈独秀为秘书长。1912年1月2日孙毓筠就职，正式成立皖省军政府。1912年4月，孙毓筠请辞，5月3日柏文蔚到安庆接任都督。7月，他被北京方面召还。