1911年12月12日，14省代表共39人，由武汉、上海齐集南京，决议于12月16日选举临时大总统。公举黄兴为大元帅，黎无洪副之。黄兴坚辞不就，遂又改举黎元洪为大元帅，黄兴为副元帅。不及半月，正副帅位忽又倒置，时人讥为儿戏。而黄兴、黎元洪皆不能来南京赴任。21日，黎无洪接受大元帅名义，并委黄兴代行大元帅职权，黄兴再辞。

20日，孙中山经香港归国，胡汉民、廖仲恺等乘兵舰到港迎接。胡汉民劝孙中山留广东，整训军队，举兵北伐。然后“实力廓清强敌，乃真成南北统一之局”。孙中山坚持前往沪、宁，主持内外大计，说：“我若不至沪宁，则此一切对外大计主持，决非他人所能任”。又说：“今之大患即在无政府”。

25日，孙中山到上海，受到热烈欢迎。报纸纷传孙携有巨款回国，记者问他：“你这次带多少钱来？”孙中山说：“予不名一钱也，所带回者革命之精神耳！革命之目的不达，无和议之可言也！”

孙中山立即和同盟会负责人讨论组织临时政府问题。孙主张采取总统制，不设总理；宋教仁主张采取内阁制，设总理。孙中山认为：“内阁制乃平时不使元首当政治之冲，故以总理对国会负责，断非此非常时代所宜。”黄兴支持孙中山意见。同时决定分别向各省代表示意，选举孙为临时大总统。

12月29日，在南京的17省代表，正式选举临时大总统。计有候选资格者3人；孙中山、黎元洪、黄兴。17省代表依次投票，孙文得16票，黄兴得1票，选举结果揭晓时，“众呼中华共和万岁三声，是时音乐大作，在场军学各界互相祝贺，喜悦之情，达于极点”。在上海的孙中山得知消息，立即复电南京，表示接受，他说：“光复中华，皆我军民之力，文孑身归国，毫发无功，竟承选举，何以克当？惟念北方未靖，民国初基，宏济艰难，凡我国民，具有责任。诸公不计功能，加文重大之服务，文敢不黾勉从国民之后，当克日赴宁就职，先此敬复。”

孙中山当选消息传出后，安徽军民万人集会都督府庆贺，福州万人举行提灯游行。南京“均色舞眉飞，互相庆祝，所有各商铺居民无不预备香花灯烛，以争迎迓。总统府内，均用五色电灯，排成花样，其光采焕然一新，虽白臾黄童，无不共称中华民国万岁云”。南京各界市民一律剪去辫发，以示庆祝。而“南洋、澳、欧美各地贺电，为日盈尺”。