12月14日到17日，各省都督结集南京举行会议，根据临时政府组织大纲选举临时大总统。会上，革命派、立宪派、旧官僚以及投革命之机的政客争权夺利，互不相让，导致临时大总统难产。

就在革命局势处于胶着状态之际，12月25日，孙中山从海外回到上海。新的变化出现了。

1911年3月的广州起义即黄花岗之役失败后，孙中山继续到美国各地的华侨中宣传、组织革命。他预感到中国必然成功，在1911年8月11日的一封信中，他准确地分析了革命当前的革命局势：“现时各省民心切望革命军起，以救彼等脱离清朝之苛政者，已若大旱之望云霓；而十八省之新军，亦多倒戈相助。……吾党无论由何省入手，一得立足之地，则各省望风归向矣。”1然而，武昌首义成功既是必然也是偶然，即便是孙中山本人也没有预料到两个月后，他所渴盼已久的胜利就在湖北省会实现了。当时，孙中山正在美国中部科罗拉多州的旅途中，他从报纸上看到了“武昌为革命党占领”的消息，大喜过望，恨不得插翅回国，参加国内革命。然而，作为政治家的孙中山有更长远、更周密的考虑，他几乎立即估计到革命即将遇到的种种问题，应该“先从外交方面致力，俟此问题解决后而回国”。他认定中国即将面临外交方面的关键问题在英国，随即离美赴英，与英方交涉，阻止四国银行对清政府的巨额贷款，在经济源头上，打击清王朝的东山再起。同时，预料到革命之后创建新政府的开支，孙中山开始与英国银行商议借款，解决革命的后续问题。当这些迫切需要解决的事情安排停当后，孙中山才登上回国的轮船，这时，已经是武昌起义后两个半月了。

孙中山是众望所归的领袖，是他第一个在中国提倡通过革命实现资产阶级理想。虽然他没有直接参加“毕其功于一役”的武昌首义，但世人皆知，武昌起义和各省连珠炮式的迅速响应，是以孙中山为首的革命党人多年进行革命宣传和组织的结果。孙中山作为公认的、最有威望的中国革命的领袖，他的归来受到革命党人以及人民群众的热烈欢迎。

革命势力由于孙中山的回国而有了一个有力的中心人物。12月29日，各省代表再次聚集在南京举行临时总统的选举会议。与会的十七省代表，每一省投一票，孙中山最后以十六票当选，只有浙江省代表没有投票选择孙中山而投票黄兴。临时大总统的确定，使革命阵营内的纷争暂时平息下来。12月31日，孙中山率领随员从上海乘火车前往南京。途经苏州、镇江、无锡、常州等站，沿途各站均聚集挥手致意的民众数万人，场面十分热烈。次日，也就是1912年的1月1日，阴历辛亥年的十一月十三日，在南京两江总督府举行了规模宏大、气氛庄严的中华民国临时大总统就职典礼。孙中山在就职典礼上庄严宣誓：“倾覆满洲专制政府，巩固中华民国，图谋民生幸福，此国民之公意，文实遵之，以忠于国，为众服务。至专制政府既倒，国内无变乱，民国卓立于世界，为列邦公认，文当解临时大总统之职，谨以此誓于国民。”宣誓完毕，孙中山接受大总统印绶，并就此发布《临时大总统就职宣言》：“临时政府，革命时代之政府也，十余年来，从事于革命者，皆以诚挚纯洁之精神，战胜所遇之艰难，即使后此之艰难远逾于前日，而吾人唯保此革命之精神，一往而莫之能阻，必使中华民国之基础确定于大地，然后临时政府之职务始尽，而吾人始可无罪于国民也。”大总统就职仪式在震天动地的“中华民国万岁”的欢呼声中结束。