1910年11月，同盟会领导人孙中山在南洋槟榔屿召集黄兴、赵声、胡汉民等同盟会重要骨干以及南洋、国内东南各省代表秘密会议，分析了以前各次起义失败的原因，总结了力量分散、组织不严密、准备不充分等教训，决定集中力量，在广州发动一次大规模的武装起义，并具体布置了起义工作。受孙中山委托，由黄兴具体负责领导大兴起义。
黄兴担负起领导这次起义的重担后，立刻开始筹措经费。1911年1月，在香港成立了统筹部，负责具体的准备工作。4月8日，黄兴主持了统筹部的动员会议，制定了详细的作战计划。并写下了绝笔书：
本日驰赴阵地，誓身先士卒，努力杀贼，书此当以绝笔。
随后黄兴混入广州，当晚在两广总督衙门附近的小东营五号设立了临时指挥部。
这时，清政府广州当局已风闻革命党人要起义的消息，陆续增加广州城的兵力，并且控制了城内制高点越秀山。不久，已经联络好响应起义的一部分新军士兵的枪械，也被当局提前收缴。在这种种不利的情况下，有人主张缓期进行，但是任何推迟起事的行动，都可能意味着前功尽弃。再说，军火弹药已经运入，万一起义推迟进行，必然会被资金的主要资助者海外侨胞们误解，这会对革命事业产生严重影响。他思虑再三，最后决定自己召集几十个同志去杀掉清朝的当地官员，以谢国人让剩下的同志撤退，以保存实力。
第2天，黄兴又得知广州新调来的士兵们大多都很同情革命，于是由于计划一再变化，人员撤离了一部分，军火也有一批尚未运到，这些都打乱了起义的原计划，坚持到最后真正发动起义的，只有黄兴率领的分队。
4月27日，震惊中外的广州起义爆发了。下午4点多种，黄兴在总指挥部集合起义队伍，下了总动员令，慷慨激昂的出发了。
下午5时30分，黄兴带领130人冲向两广总督衙门。刚走出东辕门，就与清军遭遇。黄兴的右手中指和食指第一节被枪弹打断，但他强忍剧痛用手指第二节扣枪射击。和敌人展开了激战。黄兴见清军越来越多，命令起义者分为三路突围，他自带一队冲出南大门，边战边撤退。他用肩头撞开街旁一家已关门的小店，从店内伸出两支枪，左右开弓，击毙清兵七八人。等到夜色将近，清兵退却，枪声沉寂时，他用凉水冲洗了伤口，简单的包扎一下，乘艇逃出了清军的包围圈。
第2天，黄兴见到了赶来参加起义的领导人赵声，两人痛哭失声。黄兴打算，单枪匹马去为战死的同志报仇，被赵声等拉住。4月29日，黄兴由一位同志护送潜回香港就医。孙中山听到黄兴安全抵港后，高兴地说：“革命有希望了。”
广州起义失败后。收殓殉难者，找到72具遗体，合葬在城东黄花岗，因此这次起义被称为“黄花岗起义”。中华民国成立后，黄兴为烈士们写了挽联：
七十二健儿，酣战春云湛碧血；
四百兆国子，愁看秋雨湿黄花。
此次起义失败后，黄兴等决定改变起义战略，把革命阵地由南方转到长江沿岸，并以武汉为革命中心地区。