Der samlede sig en hær inspireret af Suns republikanisme i det sydøstlige Kina, hvilket igangsatte Xinhai-revolutionen. Changshas guvernør flygtede og efterlod byen under republikansk kontrol. Mao støttede revolutionen og han sluttede sig til oprørshæren som menig, men han var ikke involveret i egentlig kamphandlinger. De nordlige provinser forblev loyale overfor kejseren, og i et håb om at undgå en borgerkrig, blev Sun udnævnt som "foreløbig præsident" af sine støtter, hvilket kongens general Yuan Shikai modsatte sig. Monarkiet blev afskaffet, hvilket etablerede Republikken Kina, men med den monarkistiske Yuan som præsident. Revolutionen var slut, og Mao trædte ud af hæren i 1912 efter seks måneder som soldat. Omkring dette tidspunkt fik Mao øjnene op for socialisme fra en avistartikel, og han søgte mere viden i pamfletter af Jiang Kanghu, der var grundlæggeren af Det Kinesiske Socialistparti. Mao forblev interesseret men dog ikke overbevist om ideen.