自1907年起，受到清朝政府全力追缉的影响，孙中山便长期居留欧美各国。初闻革命成功时，孙中山还有些讶异，但随即在海外华人与美国的同情者间筹集资金。1911年12月20日，孙中山赶赴上海，并于28日被推选为中华民国“临时大总统”。1912年1月1日（辛亥十一月十三日），在南京宣誓就任，并循革命军与袁世凯的秘密协议，特申“颠覆满洲专制政府，巩固中华民国，图谋民生幸福……至专制政府既倒，民国卓立于世界，即当解临时大总统之职”，月底临时参议院组成。当时，虽然大部分的省份已脱离清政府的控制，可主要的军事凭借却是各地的团练与新军，或是混入部分华侨以及洪门与旗下哥老会的成员。孙中山领导的临时政府实力有限，无论在装备与士兵素质上，皆无法与清朝主力北洋军抗衡。此外，由于他并未实际投入革命战事，故各省的革命势力纷纷推出自己的领导，使革命势力呈现多头马车的情形。
革命军被北洋军接连击败后，孙中山决定与北洋军的统帅袁世凯和谈，希望通过给予袁临时大总统的职位，让袁成为清朝垮台的最后关键。最后与袁达成协议：临时大总统由袁接任，袁则以实际行动迫使清朝皇帝退位。
1912年（民国元年）2月12日，清帝溥仪发布《退位诏书》，13日孙中山即向参议院请辞，并举荐袁世凯代任。此后又苦心孤诣，协助袁世凯依民主程序选任、就职、组职内阁，尤其重视向国民宣誓一事。为了引导袁世凯步入民主程阶，4月1日，孙中山亲自去参议院，宣布正式解除临时大总统一职。