10月10日夜，熊秉坤率工程八营起义，攻占楚望台军械库，推举吴兆麟为湖北革命军临时总指挥。吴兆麟、蔡济民、熊秉坤成为武昌起义当晚的领导核心。吴兆麟指挥起义部队兵分三路，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