1911年10月10日，武昌新军突然发动武装起义，辛亥革命爆发了。离武昌不远的长沙城受到了强烈震动，形势变得异常紧张起来，湖南巡抚立即宣布全城戒严。
革命党人并没有停止他们的活动。有一天，一个革命党的宣传家得到驻省湘乡中学校长的许可，来校作了一次激动人心的演讲。他介绍了武昌起义的经过和武汉三镇的形势，鼓动大家立即行动起来，为了国家，为了革命，投笔从戎救援湖北起义军。有七八个学生当场站起来支持他的主张，强烈抨击清政府，主张推翻满人统治，建立民国。
毛泽东也非常激动，他用了四五天的时间规划自己的未来，决心投笔从戎，参加革命军。于是他和几位同学商量说：“武昌起义是成功了，可是离革命的胜利还远得很哩。我想，革命不能光靠嘴巴讲，要靠实际行动。我们到底应该用什么样的实际行动来帮助湖北起义军呢？我已经想好了，当兵去！”
“当兵？”同学们都睁大了眼睛望着毛泽东。
毛泽东坚定地说：“对！当兵。到湖北去当革命军！现在武汉三镇的形势很危急，袁世凯的北洋兵分两路南下，采取包抄战术，企图钳住武汉。革命党人势单力薄，困难一定不小。我们既然要革命，就不能空手讲白话。光喊口号是打不倒宣统皇帝的。要革命就要到战场上去，真刀真枪地干！”在他的鼓动下，有4个同学决定和他一道投笔从戎，到汉口去。
10月22日，毛泽东从小吴门出城，向协操坪走去。他来到兵营门口，被卫兵拦住了，那卫兵指指悬挂在门口“禁止通行”的牌子，告诉他说：“你不能进去了，赶快回去吧！我们马上就要起义。你看，已经补发了子弹。”毛泽东心头一震，只好转身回城，还没走几步，就听见兵营里突然响起了一阵急促的哨子声，回头一看，全副武装的士兵们正在操坪上紧急集合。
他不敢久留，快步离去，到了经武门，见城门已经关闭了，只好沿着护城河向前走，待走到云阳门口，见这里的城门也关闭了。此时的毛泽东还不知道，在长沙城里配合新军行动的暴动已经发生了，各个城门都被暴动者所占领。
毛泽东进不了城，只好跑上留芳岭，站在一个高地上观望。不多时，噼哩啪啦的枪声接连不断，城外的起义军向云阳门猛扑过来。城内的接应者打开城门，城外的新军潮水般地拥了进去。就这样，湖南新军在焦达峰、陈作新的率领下，攻占了巡抚衙门，升起“汉”字白布旗子。长沙起义成功了。
毛泽东兴致勃勃地回到学校，看到学校里也挂起了汉字白旗，门口还站了几个士兵。
10月22日深夜，在焦达峰、陈作新领导下，起义军建立了“中华民国湖南军政府”。焦达峰任都督，陈作新任副都督。长沙城里一片欢乐气氛。许多学生投入到起义军中。很快，一支学生军组织起来了，可毛泽东不喜欢这支学生军，他认为学生军的成份太混杂了。他决定参加正规军，因为正规军里的士兵都是社会上的穷苦人出身，他愿意和这些人战斗在一起。
10月底，毛泽东和他的两个同学一起参加了起义军。他被编入湖南新军二十五混成协五十标第一营左队，当了一名列兵。不久，他就同排长和大多数士兵交上了朋友。在这些朋友中，毛泽东最喜欢的是湖南籍的一个矿工和一个铁匠。由于他有文化能写东西，可以帮助别人写写信，所以大家都认为他很有知识，敬佩他有“大学问”。
毛泽东在新军中认真地接受军事训练，同时研究时事和一些社会问题。他每月7元饷银，除了用于伙食2元和买水花去一点外，剩下的大都用在购买报纸上。每天操练结束以后，他就坐下来看报，成了军营里一个好读报的人。
毛泽东买的都是一些左翼报纸，并将这些报纸奉为至宝。他从鼓吹革命并正在讨论社会主义的《湘江新闻》上，第一次看到了一位曾经留学日本的湖南人创立了一个“社会主义”党。这是毛泽东第一次接触到“社会主义”这个新名词。他还读了江亢虎写的一些关于社会主义及其原理的小册子。由此，他对社会主义问题产生了浓厚的兴趣。他热情洋溢地给以前的同班同学写信，向他们介绍社会主义这个颇有吸引力的新概念；同时，他还和那些士兵们一起讨论“社会主义”问题。此时的革命形势正在急剧变化。
1912年2月，袁世凯在帝国主义支持下，采取以革命吓唬清政府的手段，迫使清政府取消了皇族内阁，由他出任内阁总理大臣，组织内阁。他又玩弄“拉”的一手，对革命党的上层实施诱和；同时使出“打”的一手，用反革命武力直接对革命党人进行威胁。
1912年春，正当湖南新军准备采取行动反对清政府、反对袁世凯的时候，在南京的中华民国临时大总统孙中山，却与袁世凯达成了妥协协议，辞去临时大总统职务。几乎与此同时，满清皇室接受了袁世凯的优待条件，溥仪退位了。1912年3月间，袁世凯在北京就任临时大总统。
此时的毛泽东以为革命已经结束了，便决定退出军队，继续求学深造。连长、排长和好朋友们都劝他留下来，他谢绝了长官和战友们的挽留。当初他之所以当兵，是认为军队将会在革命中起到重要作用；现在他认为军队已经不再是时代的先锋了，所以就丝毫也不留恋军队的生活了，毅然决然地离开了兵营，结束了半年的军旅生涯。