1911年10月10日，武昌起义爆发，各省纷纷响应。孙中山在美国得知消息后，12月下旬回国，即被17省代表推举为中华民国临时大总统。

1912年1月1日，在南京宣布就职，组成中华民国临时政府。

1912年2月12日，隆裕太后替宣统帝爱新觉罗·溥仪颁布了退位诏书，结束了中国长达276年的满清异族统治，建立了共和国。孙中山制定和公布一系列改革和进步的法令，3月11日，颁布带有资产阶级共和国宪法性质的《中华民国临时约法》。

由于受到帝国主义、满清殖民者的的强大压力与革命党本身的涣散无力，孙中山被迫在清帝退位后，于1912年2月13日辞去临时大总统职务，让位于袁世凯，4月1日正式解职。此后一年多，孙中山积极宣传民生主义，号召实行平均地权，提倡兴办实业；还亲自担任了全国铁路督办，力图筹借外资修筑铁路干线。但因政权落在袁世凯手中，孙中山的努力并未取得成果。

1912年8月，同盟会改组成国民党，孙中山被推举为理事长。

1913年3月，国民党代理理事长宋教仁被武士英暗杀，孙中山认为是袁世凯所为，主张武力讨袁。7月发动二次革命，失败后再度流亡日本。

1914年6月，孙中山在东京组织中华革命党，希望恢复和发扬同盟会的精神。袁世凯复辟帝制失败，孙中山于1915年5月初回到国内，继续为捍卫共和制度而斗争。旋又返日，10月25日在东京与宋庆龄结婚。

1917年7月，因段祺瑞为首领的北洋军阀解散国会和废弃《临时约法》，孙中山联合西南军阀，在广州建立军政府，被推举为大元帅，进行护法战争。但孙中山在军政府内备受军阀、政客的排挤，不得不于1918年5月辞去大元帅职务。第一次护法战争的失败使孙中山认识到南北军阀都是一丘之貉。从1918～1920年，孙中山完成过去已着手撰写的《建国方略》，对以往的革命经验进行总结，提出了改造和建设中国的宏伟计划。