4月23日，黄兴先行潜入广州，在小东营五号设立起义总指挥部，并最后改定起义日期为4月27日。当时，由于清方早已觉察到革命党人有起事的动向，两广总督张鸣岐、广东水师提督李准业已加强防备。广州城里的空气十分紧张。面对这种情况，对于是否如期起义的问题，革命党人内部发生意见分歧，陈炯明、胡毅生等人主张缓期再举，喻培伦、林文等人坚决主张立即起义。黄兴一度举棋不定，后在喻、林等人言行的激励下，决心拼死一搏。4月26日晚，黄兴与同志会议，根据尚有不少党人没有到的具体情况，决定将原计划十路进攻缩减为四路：黄兴一路进攻总督署，陈炯明一路进攻巡警教练所，姚雨平一路攻打小北门迎巡防营与新军入城；胡毅生一路攻打大南门。起义时间定在27日下午5时半。结果，陈炯明、胡毅生、姚雨平三路因故没有发动，事实上只有黄兴一路孤军奋战。
4月27日下午5时半，黄兴如期宣布起义，亲率选锋百余人进攻总督衙门。然而，两广总督张鸣岐早有准备，已先期逃到李准的水师行台。“死士多人以攻入督署，空洞无一人。观其情形，有如二三日前去者。”黄兴等人从督署撤出时正与李准和张鸣岐的卫队相遇，激战中党人死伤多人，黄兴的右手也被打断两指。他们突围之后兵分三路：黄兴率10人欲出大南门与巡防营相接；徐维扬率花县40人欲出小北门迎接新军；其余川、闽同志及海防、南洋同志进攻督练公所。可惜，巡防营与新军并没有起来响应起义。因此，这次起义只有黄兴率百余名选锋在城中左冲右突，孤军奋战，终因寡不敌众而失败。尽管如此，革命党人在这次起义中都表现得非常英勇壮烈，可歌可泣。喻培伦“一人当先，抛掷炸弹，防勇为之披靡，后失手遇害”；李文甫“先攻督署时，非常猛烈，既出，伤其足，后为虏俘，从容谈笑以死”；朱执信“攻督署时，奋勇当先，迥非平日文弱之态”；林文、林觉民等福建同志“多在东毕业专门学校者，年少俊才，伤心俱烬”。据统计，这次起义牺牲的革命党人有姓名可考者共86人，其中有72人的遗骸后来被党人潘达微收葬于广州东郊白云山麓的黄花岗，此即著名的“黄花岗七十二烈士”。因此，这次起义也被称为黄花岗起义或黄花岗之役。又因起义那天为农历三月二十九日，这次起义又被称为广州“三·二九”之役。