同盟会在开展宣传工作，扩大组织的同时，着手准备武装起义，以实现推翻清政府的目的。为了筹措革命经费，孙中山亲自到南洋各地奔走，动员华侨，进行捐款。为了各地进行武装起义时有一个共同的方略，1906年11月同盟会在孙中山的主持下，同黄兴，章太炎等讨论制定了《革命方略》，确定了组织国民军的规则，还拟定了《军政府宣言》，准备起义时采用。
在同盟会成立后最初三年的时间里，在孙中山的领导下，同盟会发动了多次武装起义。
1906年的萍浏醴起义，是同盟会发动的第一次武装起义。1906年秋，在东京的黄兴派同盟会会员刘道一、蔡绍南等人回国，在江西萍乡，湖南浏阳、醴陵地区策动会党群众，于这一年的12月初在浏阳、萍乡发动武装起义。湖南、江西边界地区的下层群众纷纷响应，很快起义军遍布附近的几个县。起义军士兵头缠白布巾，手里拿着白旗。参加起义的人员大多是这个地区的农民，也有一部分矿工和手工业者。大家公推龚春台为都督，发布中华国民军起义檄文，宣布破除封建专制政体，建立共和民国。起义军很快发展到三万多人，声势浩大，规模空前。清政府前后派数万名军队镇压，起义失败。起义人员残遭血腥屠杀，刘道一、蔡绍南等被捕牺牲。刘道一牺牲时年仅22岁。
这次起义第一次在中华大地打出了中华民国政府和国民军的旗号，公开讨伐清朝廷，震动了大半个中国。这次起义也是同盟会会员第一次流血，它在同盟会会员中引起震动。此后，东京的同盟会会员纷纷回国，发动起义和从事其他反清活动。
在萍浏醴起义和留学生纷纷回国的形势下，孙中山认识到，具体领导国内各地起义的时刻已经到来，他便从日本前往河内，谋划在广东、广西边界的钦州、廉州、潮州、惠州一带发动武装起义，然后再向中原发展，打开夺取全国胜利的局面。
从1907年上半年开始，广东、广西边界地区的起义此起彼落，连绵不断。这年的5月，在同盟会会员、华侨许雪秋的领导下，余继成率领会党群众在潮州府饶平县的黄冈镇誓师起义，一举占领了黄冈。起义军同派来镇压的清军进行了浴血奋战，终因敌我力量悬殊，黄冈被清军夺回，起义失败。许雪秋逃亡香港，后到新加坡，继续进行革命活动。黄冈起义的消息传到惠州，同盟会会员、华侨邓子榆6月2日在七女湖发动起义，响应黄冈起义。起义军截获清军防营的枪械，击毙清军多人，各地会党纷纷响应，队伍增加到二百多人。清水师提督李准急忙派兵镇压，起义军声东击西，终因黄冈起义失败，得不到声援而失败，大部分起义人员退入山中。
潮州、惠州起义相继失败后，孙中山又派黄兴、王和顺到广西的钦州、廉州一带活动。1907年9月，王和顺率领起义军攻占防城，以中华革命军都督的名义，发布安民布告，很快得到人民的拥护和支持。王和顺留下一部分人员留守防城，自己率领大部起义军向钦州进发。钦州城内守军已有戒备，王和顺便改道进攻灵山，奋战两天两夜。起义军战士长途行军，非常疲劳，且没有援军，无法继续作战。王和顺不得已，只好率领部队退入大山中。起义宣告失败。
防城起义失败后，孙中山又委派黄明堂为镇南关都督，计划攻取广西通往越南的险要关口——镇南关（今友谊关）。黄明堂和关仁辅等人联络镇南关炮台的守兵为内应，12月2日，率领起义军一百多人，从山背后，用绳子攀登，攻占了镇南炮台。炮台的守军纷纷逃散。起义军乘胜又占领了镇中、镇北炮台，并缴获了大批枪械。12月3日晚，孙中山在河内接到黄明堂报捷的电报，非常高兴。第二天，他率领黄兴、胡汉民等二十余人从河内出发，直奔镇南关，当天到达阵地，在镇北炮台受到起义军的热烈欢迎。孙中山和同来的同志们同起义军官兵一一握手，亲切慰问。在炮台前的空地上，孙中山向守军发表讲话：感谢大家奋勇起义，我们要和全国的同胞一起，把清朝的皇帝推翻，建立起一个新的富强的共和国，四万万同胞都成为国家的主人翁，享受独立自由的幸福，外国人就不敢欺负我们了，大家都有田地耕种了。贼军必败！我们必胜！兄弟此次入关是和大家一起奋斗，把革命革到成功。孙中山的话音在山间回荡，炮台上下，气氛非常热烈。
第二天清早，孙中山又率领同志们到镇中、镇南炮台，看望驻守炮台的起义官兵，所到之处都受到热烈的欢迎。孙中山把从河内带来的军饷和枪械一一交给黄明堂，随后下山视察阵地。当孙中山一行回到镇北炮台后不久，清军向炮台发来一炮，这是试探性的一炮，孙中山用望远镜观察以后，便命令炮手发炮还击，一炮击中了敌人的营地，敌人再也没敢发炮。可是，阵地上敌人还占据着一座地势较高的炮台，清军据高临下，用步枪频频向镇北炮台射击。孙中山和黄兴先后抄起步枪还击，击伤两个清军，打死了一个清军。孙中山站在山坡炮台上，看着奔忙的起义兵士，看着飘扬的青天白日旗，豪情满怀，他激动地说：“反对清政府二十余年，今日始得亲自发炮攻击清军。”孙中山作为领袖，身先士卒，亲临阵地，亲自射击敌人，在历史上也不多见。事后，他把自己在这次指挥作战时戴的帽子保存下来，在帽子的里面亲笔写下了“镇南关占领纪念，高野”的字样。高野是孙中山曾经用过的化名。如今这顶帽子珍藏在中国革命博物馆里。
清政府接到起义军占领镇南关炮台的消息后，十分惊慌，紧急电令两广总督张人骏，广西巡抚张鸣岐，必须在七天之内收回炮台。清广西提督龙济光、镇南关防军统领陆荣廷接到命令后，立即率领四千多名清军进行反攻，直扑镇北炮台。起义军奋勇还击，从12月8日夜晚一直奋战到9日下午，清军先后抢占了四方岭和小尖山。起义军全部退到炮台内坚守。9日夜，守军已弹尽粮绝，黄明堂只好率领起义军突围，退入越南境内的大山中。镇南关起义也告失败。
1907年7月6日，在安徽安庆，光复会会员徐锡麟在巡警学校举行开学典礼时举行起义。他先是在开学典礼的会上，借向安徽巡抚恩铭递呈学生名册时，掏出短枪，击伤恩铭。不久，恩铭死亡，其他文武官员四处逃散。徐锡麟同陈伯平率领百余名巡警学校的学生进占了军械所后，被清军包围，激战四小时，陈伯平战死，徐锡麟等被捕牺牲。与此同时，女同盟会员秋瑾在绍兴大通学堂组织光复军准备响应。因安庆起义失败，她被捕后从容就义。
1908年，同盟会又先后发动了钦廉上思起义和云南河口起义，两次起义也都告失败。
同盟会发动起义，虽然都遭到失败，但他们并没有灰心丧气，而是前赴后继，愈挫愈奋。他们冷静下来，认真总结失败的原因，寻找新的途径。以往的几次起义，大多都是依靠会党，而会党的成员都缺乏训练，组织也不严密，又缺少枪械，所以很难成事。此后，革命党人便把注意力转向清朝的新军。新军组织训练都较好，武器装备也精良，新军的中下级军官多是知识分子，比较容易接受民主思想。所以，同盟会便派一批得力的干部，到广东新军中去，倾注很大的精力，做宣传发动工作。向他们讲述革命道理，在下级军官和士兵中秘密发展同盟会员。经过几个月的努力工作，同盟会在广州新军中的力量发展很快，兵士加入同盟会的人越来越多。
新军的发动工作已经成熟，设在香港的同盟会南方支部便着手进行起义的准备工作。起义日期初步定在1910年的农历正月十五元宵节。起义的领导人倪映典到香港报告工作，共同商议元宵节起义的具体事项。不料，此时却发生了一件意外的事件。
2月9日，正是旧历除夕，士兵放假，进城的几个士兵因为取一枚图章同警察发生了冲突。以这件事为导火线，大年初一，城外的新军携带棍棒、木枪进城，同警察再次发生大规模的冲突，清广州官员劝解无效，便下令关闭大东门、小北门。
倪映典闻讯，于正月初三早晨急急回到广州。这时，新军已经很难控制，又缺乏子弹，而清军却全副武装。倪映典看到这种情形，想取消起义计划已经不行了，只好宣布起义，集结新军士兵三千多人，大家推举倪映典为总司令，倪映典当众宣誓：“愿为革命战死！”兵士们齐声高呼：“愿为革命战死！”整队向城内进发。
这时，广东水师提督李准也正率领清军向大东门、小南门三路迎战，行到东门茶亭时，两军相遇。起义军奋勇向前，司令倪映典身穿蓝袍，手里举着青天白日旗，来往指挥。两军相持。清巡防新军管带童常标、李景濂来到起义军阵前，要求见倪映典。李景濂是同盟会员，前一天倪映典还同他联系过，以为他这次来是带领队伍反正的，没有怀疑其中有诈，便从容地跟随他们二人到清军营地会谈。当倪映典走出清兵营回阵地时，清军突然开枪把他打死。司令突然死去，起义军顿时大乱，难以再组织进攻，队伍很快便溃散了。准备很久，仓促发难的广州新军起义又失败了。