气球升起来后，驻守钢药厂的湖北新军一部擅自调动，向东边的钢铁厂挺进，闻讯赶去阻拦的旗兵和军官被一阵乱枪打散，随后，这支新军部队的士兵在左臂绑上了白毛巾，竖起一面红旗，正式宣布起义，加入共和军序列，并继续向东运动，与闻讯赶来阻拦的北洋军发生激烈交火。
与此同时，原本停泊长江的两艘共和军炮舰也航向汉江，在黑暗中投入了战斗，舰炮不断的轰击沿江清军营垒，汉阳一侧硝烟弥漫，爆炸声此起彼伏。
听到炮声，赵北立即下达了总攻击令，早已蓄势待发的共和军主力部队立即由汉阳城集结地向北挺进，在炮兵的掩护下，迅速突破了北洋军在琴台、龟山一线的防御阵地，随即分兵两路，成扇形展开，东路由赵北率领，直扑龟山，西路则由第二梯队司令杨王鹏率领，在琴台建立前进基地之后，继续向北稳步推进，依靠数百只木筏、舢板趁夜横渡东月湖，直接跨湖攻击在钢药厂阻击起义部队的北洋军侧翼，切断了他们与钢铁厂、兵工厂守军的联系。
战斗在夜幕中进行，交战双方根本就不必分辨对面的是敌是友，共和军一律向北开火，北洋军则一律向南开火，爆炸声、枪炮声此起彼伏，夜空被那炮火映得忽明忽暗，如同雷暴一般。
经过数小时激战，钢药厂之敌全部就歼，西路共和军随即向东挺进，与东路共和军部队联手，对清军实施钳形夹击，至此，防守兵工厂和钢铁厂的清军已被完全包围。
稍后，龟山北洋军的炮兵阵地也全部落入共和军手中，数十门新旧大炮被革命军掌握，随即调转炮口，居高临下向据守钢铁厂和兵工厂的清军轰击，虽然因天黑看不清目标而很快停止了炮击，但仍摧毁了清军的斗志，战至深夜九点半，钢铁厂和兵工厂已先后易手，驻守清军全部被歼，清军第二十一混成协统带官黎元洪和北洋军标统卢永祥、王占元均被革命军生擒。
包围圈西北方向的残余清军侥幸逃出，沿着汉江向西北方向溃散，牵动黑山清军阵脚，清军至此溃不成军，已不敢继续留在汉阳，纷纷由上游抢夺船只渡过汉江，向汉口逃窜，汉阳一带已无成建制的清军部队。
稍后，以革命卫队为主力的共和军部队向西北方向逐次展开，在零星的战斗后，先后占领了黑山、扁担山、温家山、锅底山、仙女山、美娘山等制高点，在汉阳的西北方向建立起稳固的防线，天亮之后，汉江右岸已是红旗漫山，连营处处。
至此，汉阳战役全部结束。
此战歼灭清军一万五千余人，缴获步枪四万余杆，机关枪二十挺，管退式野战炮二十门，日制山炮四十门，旧式大炮近百门，缴获的弹药无法准确统计。而且由于汉阳兵工厂落入共和军掌握，这座工厂立即成为了共和军的大型军火库。
天亮之前，战场全部打扫完毕，又拾获步枪两千余杆，大炮五门，弹药若干，收编零散清军两千余人。
武汉三镇，除了汉口尚未光复之外，已大部落入共和军掌握之中，革命的红旗飘摇在长江两岸。
战斗结束当天深夜，赵北召集武昌、汉阳的士民绅商代表，齐集汉江与长江交汇处的南岸嘴，一声令下，所有被共和军缴获的清廷官员所乘官轿堆成了一座小山，和那些官员的顶戴、官袍一起浇上洋油，全部付之一炬，熊熊火光映红了半边天，无论是武昌、汉阳还是汉口的居民，均能望见那冲天的火焰。
站在一辆弹药车上，赵北手举铁皮喇叭，向众人大声宣布：
“帝王将相的时代结束了！以后的时代，就是共和的时代了！从现在起，废除一切不平等的称呼，再也没有什么‘大人’、‘小人’、‘奴才’、‘主子’了！从现在起，所有的人就都是共和国的‘公民’了！让我们齐声高喊：革命万岁！共和万岁！公民万岁！”
“革命万岁！共和万岁！公民万岁！”
数万将士齐声高呼，虽然未必都能理解这几句口号的深刻意义，但至少是将那横扫一切陈腐的气势喊出来了。
伴随着公民们的欢呼声，江面上出现了一些红色的河灯，越来越多，越来越密，成千上万，就像夜空的星辰，数也数不过来。那是刚成立不久的“共和军时政宣讲委员会”的手笔，在赵北的命令下，汉阳战斗尚未完全结束时，宣委会干事长兼总代表张激扬就召集武昌全城百姓，手提赶制的红灯笼，在城外举行了声势浩大的光复庆祝活动，并在鹦鹉洲点燃河灯，顺江投放，为共和呐喊，为革命助威。
看到那长江上的点点红灯，武昌、汉阳军民无不精神振奋，“共和”、“革命”的呼声响彻天地，全城沉浸在胜利的情绪中。至于尚未光复的汉口，则是一片死气沉沉，盘踞于此的清军残部无不战战兢兢睁大了眼睛，紧张的向武昌、汉阳方向窥伺，生怕革命军趁夜强渡，袭击汉口。
汉口租界当局也紧急加强了戒备，各国领事纷纷拍发电报，要求本国政府立即派兵增援汉口租界，武装中立。
对所有人来说，这都是一个不眠之夜。
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