設立機關
香港興中會成立後，即積極籌備在廣州發動起義。孫中山駐廣州指揮，楊衢雲駐香港，負責後勤供應及財政支持。1895年(光緒二十一年)3月，孫中山多次訪問日本駐香港領事中川恆次郎，聲稱擬奉康有為為統領，在兩廣成立共和國，要求日方提供步槍25000支，手槍5000支。同月16日，楊衢雲、孫中山、謝纘泰等商討以3000精兵攻佔廣州的計劃，香港《德臣西報》的編輯托馬斯·哈·黎德、《士蔑士報》的編輯切尼斯·鄧肯都表示支持。不久，黎德並同意設法爭取英國政府和英國人民的同情和幫助。
3月下旬，孫中山、鄭士良、陳少白、陸皓東等到廣州，在雙門底王氏家祠建立機關，假借“農學會”名義活動。“鎮濤”號炮艦管帶、原福建馬江水師學堂學生程奎光及其水師數百人加入興中會。起義的基本隊伍是：新安、深圳等地的會黨，中日戰爭後遣散的部分營勇，三元里、香山等地的民團，北江、順德等地的綠林等。具體計劃是以10月26日(九月初九日)為期，由楊衢雲率領集中在香港的會黨分子3000人作前鋒，攻擊廣州地方衙署，其他隊伍分頭埋伏在廣州城內響應。孫中山等認為，這一天是夏曆重陽節，不少人回省掃墓，有利於掩護起義隊伍行動。為了爭取列強承認起義軍是交戰團體，黎德和特·高文起草了對外宣言，香港律師、立法局議員何啟和謝纘泰作了修訂，陸皓東製作了以青天白日為圖案的旗幟。
10月6日(八月十八日)，孫中山在廣州《中西日報》發表由興中會會員、基督教牧師區鳳墀代為起草的《擬創立農學會書》，徵集同志。書中，孫中山表示將翻譯各國農桑新書，設立學堂，開設博覽會，躬操耕作，以此啟發農民，振興農業。廣州很多士紳參加發起。其中有一位孫中山的香山同鄉劉學詢，因操縱與科舉考試有密切關係的賭博，成為鉅富，權傾一方。他曾資助孫中山行醫。某日，孫中山在香港訪問劉學詢，閉門密談。孫稱：“中國現要瓜分矣。”“中國人猶醉生夢死，不知國亡之無日。”“與其希求官僚之振作，不如運動草莽之奮起。”他向劉闡述了利用會黨在廣東發動起義的計劃，要求劉支持，但劉認為《馬關條約》已訂，時機已過，僅僅依靠炸藥進行暗殺，或聯絡“會匪”，容易重演“排外”事件，引起“瓜分”危機。孫中山意欲推劉為領袖，但劉稱讚孫“年少有為”，要孫不要“妄自菲薄”。辭別時，孫向劉表示：“當緩圖之。”不過，事後，孫中山並未停止活動，和劉學詢之間仍然保持着祕密而複雜的關係。
起義的發動與失敗
10月10日(農曆八月二十二日)，興中會總部在香港集會，選舉孫中山為會長，稱為“伯裏璽天德”(President)，起義後即為合眾政府大總統。第二天，楊衢雲要求孫中山將會長一職讓給自己，鄭士良、陳少白堅決反對。鄭聲言：此席大家都屬意孫先生，如有人作非分之想，就親手殺了他。孫中山為了不在起義前夕引起分裂，同意讓位。
10月26日晨，各路會黨、民團、營勇按原部署埋伏在廣州城內，但楊衢雲卻臨時打電報給孫中山，聲稱“貨不能來”。孫中山無法，只好一面資遣會黨首領，一面電告楊衢雲：“貨不要來，以待後命。”陳少白認為處境危險，勸孫中山離開廣州，孫稱自己有事要辦，要陳先回香港。其間，會員朱淇的哥哥朱湘向緝捕委員李家焯告密，李立即派士兵監視孫中山行動。當日，孫中山赴某牧師的宴會，發現路上滿布營勇，笑着對同行者説：“此輩都是來偵察我的行蹤的吧！”27日(九月初十日)，兩廣總督譚鍾麟得到確報，立即派人到王家祠堂等處搜緝，陸皓東、程奎光等6人被捕。楊衢雲因已有七箱軍械裝輪啟運，仍派朱貴全、丘四等率200人前往廣州，28日(九月十一日)晨登岸時，清軍早有戒備，朱貴全、丘四等多人被捕。孫中山在事後曾在廣州匿居三天，得知陸皓東被捕後，燒燬同志名簿，埋妥炸彈，化裝為苦力，從容登上開往澳門的輪船，轉赴香港。
孫中山到港後，清兩廣總督譚鍾麟照會英國領事，知照港督，要求交出孫中山等4人，港督以“英國不願交出政治犯”為理由拒絕，但表示，如孫文來港，將驅逐出境。11月2日(九月十六日)，孫中山與陳少白、鄭士良等東渡日本。鄧蔭南避走澳門，楊衢雲則遠走南非。
陸皓東被捕後，遭到非刑審訊，但他堅貞不屈，在供詞中慷慨自陳：“憤異族政府之腐敗專制，官吏之貪污庸懦，外人之陰謀窺伺，憑弔中原，荊榛滿目，每一念及，真不知涕淚之何從也。”又稱：“要知今日非廢滅滿清，決不足以光復漢族;非誅除漢奸，又不足以廢滅滿清，故吾等尤欲誅一二狗官，以為我漢人當頭一棒。今事雖不成，此心甚慰，但我可殺，而繼我而起者不可盡殺。”他向清吏表示：“吾言盡矣，請速行刑！”11月7日(九月二十一日)，陸皓東、朱貴全、丘四三人同時被害，程奎光被清吏嚴刑逼供，被笞至六百軍棍，氣絕身亡。時稱四烈士。後來，孫中山稱陸皓東為“中國有史以來為共和革命而犧牲者之第一人”。
廣州起義準備不足，敵我力量懸殊，失敗有其必然性，但是，它是革命黨人用武裝起義推翻清朝、建立共和的第一次勇敢的嘗試，陸皓東等以無畏與犧牲精神為繼起者樹立了光輝榜樣。
