同盟会自成立之初，便安排了宣传和组织工作，并且发动了多次武装起义，如：
1906年在萍乡、浏阳、醴陵地区起义，失败；
1907年在潮州黄冈的起义、惠州七女湖起义钦州和防城起义，以及在钦州、廉州和上思一带的游击战，失败；
1908年袭击河口的战斗和在安庆的新军起义，失败；
1910年的广州新军起义，失败；
1911年广州起义，惨败。这一次的惨败，是同盟会最大规模的起义，也是最勇烈的、最惨烈的失败，同时也是孙中山领导的最后一次起义的败北。史称“黄花岗起义”。
黄花岗起义之前，孙中山在马来西亚槟榔屿市对到会的代表黄兴、赵声、胡汉民等国内外重要骨干和代表说：“一败何足馁！”他鼓劲：“革命之风潮已盛，华侨之思想已开，从今而后只虑吾人之无计划、无勇气耳！”接着表示：
“如果众志不衰，则财用一层，吾当力任设法。”1910年年底，孙中山在槟榔屿召集同盟会员及爱国侨胞会，他在会上动员大家为革命捐款，他在演说中说：
明年攻打广州，“尽倾吾党人才，物力以赴之。有钱捐钱，无钱捐命。无论如何险阻，破釜沉舟，成败利钝，实在此一举。……踊跃输将”，以尽“救国之责任……”。
于是，“即席认捐了8000余元。不料，会后有人将他的演说内容向南洋英国殖民当局告密”，因此他被英当局以“妨碍地方治安”为由，勒令他离境。
孙中山只好委托黄兴去香港成立机关，主持广州起义的筹备工作，他自己远涉重洋，奔走美国、加拿大各地，于次年3月份，筹集了军饷达七十多万元。
1911年4月27日（旧历三月二十九日），以黄兴为总司令、赵声为副总司令的革命党人在广州发难。他们原打算先占广州，然后各省举兵响应会师北伐，直捣清朝首府北京。
这天傍晚五时许，广州起义爆发。
黄兴率林时壤、方声洞、林觉民、朱执信等先锋120人，臂缠白布，脚蹬黑色胶鞋，手执枪械炸弹，吹响了海螺进军号，由小东营指挥部出发，勇猛地直扑两广总督府。
一路上，抵抗的巡警都被打倒。
冲进署内后，发现总督张鸣岐已钻墙逃跑，起义军便捣毁并放火烧掉总督衙门。
接着分兵攻打督练公所等处，却与赶来救援的水师提李准部队遭遇。
于是，双方在东辕门、小北路等地展开了激烈的巷战。已废去一臂的喻培伦胸前挂着满满的一筐炸弹，奋勇地向清军投去。
巷战了一夜，革命军终因实力悬殊而失败。
黄兴的右手被打断两指，朱执信受重伤，林时壤、方声洞、罗进等57人英勇牺牲，喻培伦、林觉民等29人被捕后就义。相加起来共86人，但在收敛遗体时只有72具。由革命党人潘达微营葬在广州城外东北郊的白云山麓的红花岗（是潘将其改为黄花岗），故此后一直呼“黄花岗七十二烈士”。
时在美国芝加哥的孙中山得悉不幸失败的消息时称：“革命之声望从此愈振，而人心更奋发矣。”之后，他又再加于嘉评：
是役也，碧血横飞，浩气四塞，草木为之含悲，风云因而变色。全国久蛰之人心，乃大兴奋。怨愤所积，怒涛排壑，不可遏抑。不半载而武昌之大革命以成，则斯役之价值，直可惊天地，泣鬼神，与武昌革命之役并寿。
是役也，集各省革命党之精华，与彼虏为最后一搏。事虽不成，而黄花岗七十二烈士轰轰烈烈之慨，已震动全球，而国内革命之时势，实以之造成矣。
当事人谭人凤（1860—1920，字石屏，号雪髯，湖南新化人），他回忆说：
是役也，死者七十二人，无一怯懦士。事虽未成，而其激扬慷慨之义声、惊天动地之壮举，固已碎裂官僚之胆，震醒国民之魂。
黄花岗之役，大多一介意气书生。当主帅黄兴遇到星夜赶来赴难的、吴樾的生死之交战友赵声时，“两人相拥痛哭”，“一代雄才赵声不到三星期悲愤呕血而死”。
殉道者们不过是些文弱书生，却化成碧血黄花英雄，其无成败利钝之见，感染了百年来的有志于自由、民主、共和事业的中国人。《谁是英雄》的作者鄢烈山写道：
参谒黄花岗烈士陵园，给我印象最深的，一是自由女神像，二是刻有崇拜英雄题词的纪念碑。前者位于七十二烈士纪念碑的上方。显然是美国自由女神像翻版，她的现身揭示了七十二烈士爱国壮举的精神渊源。崇拜英雄四个字是那样地使我感动，有一种大雅久不作之后忽闻金声玉振的感觉。
写《铁血黄花》的作者伍立扬则称：
那一代知识分子总体人格特征，则大多光明俊伟，敞屣尊荣，百折不挠，愈挫愈奋，其高出寻常万万之胸襟气度，求之世界人物，又岂多得哉？
其人也，大抵壮怀激烈为心情底蕴，但也有“英雄无事且种菜，豪杰多情总爱花”的伤怀和扼腕之痛。更有“万物有生皆有灭，此身亦幻亦非真”的深长感喟。
同盟会起义的结局固然失败了，但不断反清的起义，的确振奋人心，的确激发了国民的革命情绪。人民和清朝统治者在对外立场上日益形成了尖锐的对立。从1903年的拒俄、拒法的运动到1905年的反美国虐待中国工人的运动的参加者，一律被慈禧政府加上“革命党”的帽子，“随时获得，就地正法”。
人民意识到，革命会党根本不屑于政府的君主立宪，因为统治者已经成为帝国主义列强的代理人。君主立宪不过是清政府为了继续维持其反动统治而已。
人民意识到，清政府把中国的一切主权都零售卖给了帝国主义强盗，上海外滩上的帝国主义银行掌握着清朝的经济命脉，北京东交民巷的外国使馆成了清政府的太上政府，整个国家在走向殖民地化的深渊。
而革命党人中的偏激者，自政府欲求立宪之始，更是“以炸裂弹酬之”，而孙中山则以屡战屡败的起义“酬之”。俄国布尔什维克的领袖列宁，关注着孙中山的革命，他认为孙中山的“新精神”和“欧洲思潮”在猛烈发展，“旧式的暴动必然会进而为觉醒的民主运动”。