光緒三十一年七月二十日（1905年8月20日），東京赤坂區黑龍會所內，七十多位來自興中會、華興會、光復會的志士圍坐在榻榻米上，孫中山站在壁龕前，手中的摺扇重重敲在案上："中國者，中國人之中國也！今者由平民革命以建國民政府，凡為國民皆平等而有參政權..."（《孫中山全集》第一卷）他的廣東口音在寂靜的房間裡迴盪，當念出"驅除韃虜，恢復中華，創立民國，平均地權"的十六字綱領時，全場齊聲應和，木屐踏擊地板的聲響彷彿擂動的戰鼓——中國同盟會在此刻宣告成立，晚清的革命浪潮從此有了統一的旗手。

光緒三十一年春（1905年），孫中山在橫濱碼頭登岸，前來迎接的黃興握著他的手說："先生振臂一呼，天下英雄必聞風而至。"（《黃興年譜》）此時的東京，聚集著上萬名中國留學生，他們中既有主張改良的立憲派，更有渴望革命的激進青年。

第一次集會選在富士見樓，孫中山登臺演講時，臺下擠得水洩不通。他指著窗外的櫻花說："日本變法三十年而強，中國不變法則亡。然清廷之法，實亡中國之法，故必顛覆之，方能圖存。"（《孫中山年譜長編》）話音剛落，後排突然有人高呼："孫先生若舉事，吾輩願效死力！"說話都是華興會領袖宋教仁。

整合各革命團體的過程並非一帆風順。光復會的章太炎主張"排滿復漢"，對"平均地權"頗有異議；部分興中會成員則擔心"合併後權力分散"。孫中山在黑龍會的密談中耐心解釋："革命非僅排滿，更在建立共和。地權不均，民生難安，共和亦難久存。"（《宋教仁日記》）直到七月二十日，各團體代表終於達成共識，推舉孫中山為總理，黃興為執行部庶務，確立了"三民主義"為指導思想。

同盟會成立當天，會員們在盟約上按指印時，陳天華突然站起，將自己撰寫的《猛回頭》手稿放在桌上："此乃吾之絕筆，願與諸君共勉！"這位以筆為槍的革命家，因反對日本頒佈《取締清國留學生規則》，不久後便在東京大森海灣投海自盡，遺書裡寫道："唯有犧牲可喚醒國人。"（《陳天華集》）他的死激起軒然大波，數千留學生罷課抗議，更多人因此投身同盟會，連原本主張改良的梁啟超都感嘆："革命黨之勢，一日千里。"

同盟會機關報《民報》的創刊，成了革命思想傳播的號角。光緒三十一年十月（1905年11月），第一期《民報》問世，孫中山在發刊詞中首次系統闡述"三民主義"：民族主義要"驅除韃虜，恢復中華"，推翻滿清統治；民權主義要"創立民國"，建立民主共和；民生主義則以"平均地權"解決社會問題。（《孫中山全集》第一卷）通俗來說就是：用民族革命推翻清朝統治，用政治革命建立共和政府，用社會革命解決土地問題，三者相輔相成，才能實現中國的復興。

《民報》與梁啟超主持的《新民叢報》展開了長達三年的論戰。梁啟超認為"中國民智未開，不能行共和"，主張"君主立憲"；汪精衛在《民報》上針鋒相對："民權者，天賦之權，豈因民智未開而可奪？"（《汪精衛文集》）這場論戰席捲了海內外華人社群，新加坡的《中興日報》、舊金山的《大同日報》紛紛轉載，連偏遠州縣的學堂裡，學生們都偷偷傳閱剪報，"共和民權"成了最時髦的詞彙。

孫中山則奔波於世界各地，為革命募集資金。光緒三十二年（1906年），他在吉隆坡華僑會館演講時，指著臺下的橡膠園主說："諸君在海外經商，受盡洋人欺凌，皆因祖國不強。若革命成功，建立民國，諸君回國投資，必能揚眉吐氣。"（《孫中山南洋演講集》）華僑們深受觸動，當場認捐數萬元。僅1905至1907年，同盟會便從海外募集到二十多萬銀元，為武裝起義提供了關鍵資金。

在國內，同盟會員們深入新軍、會黨，秘密發展組織。安徽的徐錫麟在巡警學堂擔任監督，藉機培養革命骨幹；四川的熊克武在瀘州設立"酒肆"，作為聯絡據點；湖南的焦達峰則加入哥老會，成為"龍頭大哥"。到光緒三十三年（1907年），同盟會已在國內十八省建立分會，會員達數萬人，連張之洞的門生吳祿貞都暗中加入，在新軍第六鎮中發展勢力。

光緒三十二年十二月（1907年1月），萍瀏醴起義打響了同盟會成立後的第一槍。湖南瀏陽的會黨首領龔春臺以"中華國民軍南軍革命先鋒隊"名義釋出檄文，宣稱"必破除數千年之專制政體，不使君主一人獨享特權於上"（《萍瀏醴起義史料》）。起義軍十幾天內發展到三萬人，一度攻佔萍鄉煤礦，卻因缺乏統一指揮、裝備落後，最終被清軍鎮壓，劉道一、蔡紹南等志士犧牲。

孫中山在河內得知訊息，既痛惜又振奮："此次起義雖敗，然革命思想已深入民心。"（《孫中山年譜》）他隨即策劃了一系列西南邊境起義：1907年5月的潮州黃岡起義，7月的惠州七女湖起義，9月的欽州防城起義，12月的鎮南關起義。在鎮南關之役中，孫中山親赴前線，在戰壕裡為傷員包紮，還親手發炮轟擊清軍陣地，事後笑著說："吾亦能為戰士矣。"（《黃興回憶錄》）