华兴会以推翻清朝封建统治为奋斗目标，计划先在湖南发动起义，让各省随即响应，然后直捣清廷的老巢北京。因此，在华兴会成立后不久，陈天华和姚宏业被派去游说江西防营统领廖名缙，要他到时响应；周维桢和张荣楣去接洽四川会党，使他们与两湖会党合作；杨守仁和章士钊去南京和上海，负责策应一切；宋教仁和胡瑛则奉命赴武昌，成立华兴会湖北支部，在当地的新军队伍里宣传革命，发展革命同志。7月3日，宋教仁、胡瑛与湖北进步学生吕大森、曹亚伯、张难先等人一起，在武昌成立了湖北省第一个革命团体：科学补习所。由吕大森担任所长，胡瑛为总干事，宋教仁则充当文书。华兴会湖北支部和科学补习所虽然名义上是两个革命团体，但在实际上彼此间人员交叉，协同活动，有着非常紧密的联系。
在一切准备工作基本安排就绪以后，华兴会决定在当年11月16日（阴历十月初十，慈禧太后70岁生日）于长沙发动武装起义。他们以长沙武备学堂学生，联络湖南新旧各军为主力，把会党作为辅助力量，除联系邻近各省闻讯响应以外，又在省内划分浏阳、衡阳、常德、岳州（今岳阳）、宝庆5路，约定同时起义。这次起义的总指挥是黄兴，宋教仁一方面与科学补习所进行联络，一方面负责常德一路的组织与发动工作。10月，他回到自己的家乡桃源发动起义，但由于缺乏思想宣传的基础，起义的经费无从筹措。他想变卖自己的家产，可又限于时间紧迫，一时也没有办法脱手。于是，为避免因为没有经费而导致功败垂成，10月30日，他冒雨从乡下赶到桃源县城，然后又从县城雇了一条小船，急匆匆地赶赴长沙，找黄兴商量这件事。
但这时的长沙城里，起义的消息已经泄露，从10月下旬开始，长沙府、县衙门已在省城大肆搜捕革命党人，并且悬赏缉捕黄兴、刘揆一和宋教仁。不过，这次又将宋教仁写成了“宋敦仁”。长沙城里，革命党人星流云散，刘揆一事先逃走，黄兴也在别人帮助下秘密离开长沙。11月5日，宋教仁来到长沙秘密机关，才知道发生了意外的事情。他打算派人回常德去从事破坏活动，以分散清廷的注意，使长沙革命党人的压力减轻，但是苦于没有旅费，无法成行。在曹亚伯等人的劝说与帮助下，他搭乘一条运煤船潜赴武昌，去追寻黄兴。
到达武昌的当天，正是慈禧的生日，原本预定起义的一天。武昌市表面上一片歌舞升平，暗地里却杀气腾腾，清兵正在加紧搜捕华兴会会员。宋教仁找到了胡瑛，胡瑛告诉他，黄兴已经离开武昌到了上海，并且在上海创办了一个“启华译书社”作为革命机关，准备再一次举行革命暴动。得知消息后的第二天，宋教仁搭乘日轮“瑞和”号，又匆匆地沿江东下，前往上海。11月21日，他到了上海。但这一次他依然没有追上黄兴，由于受到万福华刺杀王之春案的牵连，黄兴等人已经被捕入狱，革命机关也遭到封闭。困境中的宋教仁把目光投向了日本。
12月13日，宋教仁到达日本东京，当时革命者聚集的地方。从武昌到上海，从上海到东京，在漫长的水上旅程中，他默默地思索了一路。他第一次参加发动与领导的武装起义失败了，但这次失败并没有使他灰心，只有使他在意识到革命的艰巨性的同时，坚定了“欲完我神圣之主义”的决心。宋教仁是个善于思考的人，他从长沙起义的失败中知道中国革命的时机尚不成熟，在搞下一次大规模的武装起义之前，必须大力进行革命宣传，对全国人民进行教育，使人们都能了解进行革命的必要，并为此作好充分的思想准备。
当时的日本已经进入了帝国主义列强的行列，经济的繁荣，国力的强盛，都远远超过了老大落后的中国。目睹这一切，宋教仁的心情是不能平静的。但祖国的落后和任人蹂躏，却又激发着他那蓄积在胸中的爱国热情，坚定着他革命救国的决心。一到日本，他就发起组织“20世纪之支那”社，出版《20世纪之支那》，宣传反帝反清思想。他自任总庶务，全面负责这个杂志的组织和联系工作。
脚踏实地的革命活动，机动灵活的组织才能，以及尖锐而又深刻的时论文章，很快就把宋教仁的名声传扬开去。他到东京半年多时间，就已成为中国留学生中颇有影响的人物。1905年7月，孙中山从欧洲重返日本，通过官崎寅藏的介绍，首先在东京的中国餐馆凤乐园约见了黄兴，表示愿与黄兴合作组织一个全国性的革命团体。随后又通过程家柽的联系，约宋教仁等人在“20世纪之支那”社纵谈中国的形势与前途，及联合各省人才进行革命斗争的问题。7月30日，宋教仁又应孙中山的邀请，前往黑龙会成员内田良平宅，参加中国同盟会的筹备会议。到会者共有70余人，在听了孙中山的演讲和黄兴关于成立新的革命团体的说明之后，全都填写姓名，举手宣誓，加入了同盟会。
在华兴会主要领导成员中，宋教仁是为了顺应革命大势而加入由孙中山所倡导的全国性革命团体的。在华兴会的一次讨论会议上，陈天华主张团体加入，刘揆一表示坚决反对，黄兴则提出在形式上与其联合，而在精神上仍然保持华兴会的独立。宋教仁则发言认为应该研究入会与不入会的不同以后才能决定，没有明确表态。他之所以持这种模棱两可的态度，除了他的性格谨慎以外，更为主要的原因是因为他在革命思想与策略上，从一开始就同孙中山并不完全一致。宋教仁不赞成孙中山的“平均地权”，据此有一些人叫他“二民主义者”。但在推翻清朝反动统治和建立资产阶级共和国这一革命的根本问题上，他和孙中山是一致的，所以他还是随黄兴一起加入了同盟会。不仅如此，为了扩大革命影响，制造革命声势，他又同黄兴、程家柽等人发起了一次中国留学生欢迎孙中山大会。到会者约有1300余人。宋教仁主持了这次大会并致欢迎词，孙中山在会上发表了长篇讲演。会场上不断爆发掌声和喝彩声，气氛十分热烈。看到这种情景，连日本友人也控制不住自己的感情，走上讲台，激动地说：“为中国感到庆慰！为中国感到庆慰！”
一个星期以后，中国同盟会在赤坂区日本国会议员阪本金弥住宅内召开正式成立大会，约有100多人前来参加。大会讨论通过了章程草案30条，同意孙中山提出的“驱除鞑虏，恢复中华，建立民国，平均地权”为同盟会的革命纲领。章程还规定以东京为同盟会本部所在地，总理之下分设执行、评议、司法三部，负责处理各项具体事务。会上一致推选孙中山担任总理，黄兴为执行部庶务科总干事（相当于协理），协助总理主持本部日常工作。宋教仁担任了司法部检事长。与此同时，《20世纪之支那》也移交给同盟会作机关报，由黄兴代表同盟会，宋教仁代表《20世纪之支那》社，具体办理交接事宜。不久《20世纪之支那》改名《民报》出版，宋教仁依然任庶务干事兼撰述员，驻社办理一切事务。1907年初，又代理同盟会的庶务。由于能力出众，宋教仁一直在同盟会里占据了很重要的领导地位。