1911年10月10日，武昌新軍突然發動武裝起義，辛亥革命爆發了。離武昌不遠的長沙城受到了強烈震動，形勢變得異常緊張起來，湖南巡撫立即宣布全城戒嚴。
革命黨人并沒有停止他們的活動。有一天，一個革命黨的宣傳家得到駐省湘鄉中學校長的許可，來校作了一次激動人心的演講。他介紹了武昌起義的經過和武漢三鎮的形勢，鼓動大家立即行動起來，為了國家，為了革命，投筆從戎救援湖北起義軍。有七八個學生當場站起來支援他的主張，強烈抨擊清政府，主張推翻滿人統治，建立民國。
毛澤東也非常激動，他用了四五天的時間規劃自己的未來，決心投筆從戎，參加革命軍。于是他和幾位同學商量說：“武昌起義是成功了，可是離革命的勝利還遠得很哩。我想，革命不能光靠嘴巴講，要靠實際行動。我們到底應該用什麼樣的實際行動來幫助湖北起義軍呢？我已經想好了，當兵去！”
“當兵？”同學們都睜大了眼睛望着毛澤東。
毛澤東堅定地說：“對！當兵。到湖北去當革命軍！現在武漢三鎮的形勢很危急，袁世凱的北洋兵分兩路南下，采取包抄戰術，企圖鉗住武漢。革命黨人勢單力薄，困難一定不小。我們既然要革命，就不能空手講白話。光喊口号是打不倒宣統皇帝的。要革命就要到戰場上去，真刀真槍地幹！”在他的鼓動下，有4個同學決定和他一道投筆從戎，到漢口去。
10月22日，毛澤東從小吳門出城，向協操坪走去。他來到兵營門口，被衛兵攔住了，那衛兵指指懸挂在門口“禁止通行”的牌子，告訴他說：“你不能進去了，趕快回去吧！我們馬上就要起義。你看，已經補發了子彈。”毛澤東心頭一震，隻好轉身回城，還沒走幾步，就聽見兵營裡突然響起了一陣急促的哨子聲，回頭一看，全副武裝的士兵們正在操坪上緊急集合。
他不敢久留，快步離去，到了經武門，見城門已經關閉了，隻好沿着護城河向前走，待走到雲陽門口，見這裡的城門也關閉了。此時的毛澤東還不知道，在長沙城裡配合新軍行動的暴動已經發生了，各個城門都被暴動者所占領。
毛澤東進不了城，隻好跑上留芳嶺，站在一個高地上觀望。不多時，噼哩啪啦的槍聲接連不斷，城外的起義軍向雲陽門猛撲過來。城内的接應者打開城門，城外的新軍潮水般地擁了進去。就這樣，湖南新軍在焦達峰、陳作新的率領下，攻占了巡撫衙門，升起“漢”字白布旗子。長沙起義成功了。
毛澤東興緻勃勃地回到學校，看到學校裡也挂起了漢字白旗，門口還站了幾個士兵。
10月22日深夜，在焦達峰、陳作新上司下，起義軍建立了“中華民國湖南軍政府”。焦達峰任都督，陳作新任副都督。長沙城裡一片歡樂氣氛。許多學生投入到起義軍中。很快，一支學生軍組織起來了，可毛澤東不喜歡這支學生軍，他認為學生軍的成份太混雜了。他決定參加正規軍，因為正規軍裡的士兵都是社會上的窮苦人出身，他願意和這些人戰鬥在一起。
10月底，毛澤東和他的兩個同學一起參加了起義軍。他被編入湖南新軍二十五混成協五十标第一營左隊，當了一名列兵。不久，他就同排長和大多數士兵交上了朋友。在這些朋友中，毛澤東最喜歡的是湖南籍的一個礦工和一個鐵匠。由于他有文化能寫東西，可以幫助别人寫寫信，是以大家都認為他很有知識，敬佩他有“大學問”。
毛澤東在新軍中認真地接受軍事訓練，同時研究時事和一些社會問題。他每月7元饷銀，除了用于夥食2元和買水花去一點外，剩下的大都用在購買報紙上。每天操練結束以後，他就坐下來看報，成了軍營裡一個好讀報的人。
毛澤東買的都是一些左翼報紙，并将這些報紙奉為至寶。他從鼓吹革命并正在讨論社會主義的《湘江新聞》上，第一次看到了一位曾經留學日本的湖南人創立了一個“社會主義”黨。這是毛澤東第一次接觸到“社會主義”這個新名詞。他還讀了江亢虎寫的一些關于社會主義及其原理的小冊子。由此，他對社會主義問題産生了濃厚的興趣。他熱情洋溢地給以前的同班同學寫信，向他們介紹社會主義這個頗有吸引力的新概念；同時，他還和那些士兵們一起讨論“社會主義”問題。此時的革命形勢正在急劇變化。
1912年2月，袁世凱在帝國主義支援下，采取以革命吓唬清政府的手段，迫使清政府取消了皇族内閣，由他出任内閣總理大臣，組織内閣。他又玩弄“拉”的一手，對革命黨的上層實施誘和；同時使出“打”的一手，用反革命武力直接對革命黨人進行威脅。
1912年春，正當湖南新軍準備采取行動反對清政府、反對袁世凱的時候，在南京的中華民國臨時大總統孫中山，卻與袁世凱達成了妥協協定，辭去臨時大總統職務。幾乎與此同時，滿清皇室接受了袁世凱的優待條件，溥儀退位了。1912年3月間，袁世凱在北京就任臨時大總統。
此時的毛澤東以為革命已經結束了，便決定退出軍隊，繼續求學深造。連長、排長和好朋友們都勸他留下來，他謝絕了長官和戰友們的挽留。當初他之是以當兵，是認為軍隊将會在革命中起到重要作用；現在他認為軍隊已經不再是時代的先鋒了，是以就絲毫也不留戀軍隊的生活了，毅然決然地離開了兵營，結束了半年的軍旅生涯。