光绪三十一年七月二十日（1905年8月20日），东京赤坂区黑龙会所内，七十多位来自兴中会、华兴会、光复会的志士围坐在榻榻米上，孙中山站在壁龛前，手中的折扇重重敲在案上："中国者，中国人之中国也！今者由平民革命以建国民政府，凡为国民皆平等而有参政权..."（《孙中山全集》第一卷）他的广东口音在寂静的房间里回荡，当念出"驱除鞑虏，恢复中华，创立民国，平均地权"的十六字纲领时，全场齐声应和，木屐踏击地板的声响仿佛擂动的战鼓——中国同盟会在此刻宣告成立，晚清的革命浪潮从此有了统一的旗手。
光绪三十一年春（1905年），孙中山在横滨码头登岸，前来迎接的黄兴握着他的手说："先生振臂一呼，天下英雄必闻风而至。"（《黄兴年谱》）此时的东京，聚集着上万名中国留学生，他们中既有主张改良的立宪派，更有渴望革命的激进青年。
第一次集会选在富士见楼，孙中山登台演讲时，台下挤得水泄不通。他指着窗外的樱花说："日本变法三十年而强，中国不变法则亡。然清廷之法，实亡中国之法，故必颠覆之，方能图存。"（《孙中山年谱长编》）话音刚落，后排突然有人高呼："孙先生若举事，吾辈愿效死力！"说话都是华兴会领袖宋教仁。
整合各革命团体的过程并非一帆风顺。光复会的章太炎主张"排满复汉"，对"平均地权"颇有异议；部分兴中会成员则担心"合并后权力分散"。孙中山在黑龙会的密谈中耐心解释："革命非仅排满，更在建立共和。地权不均，民生难安，共和亦难久存。"（《宋教仁日记》）直到七月二十日，各团体代表终于达成共识，推举孙中山为总理，黄兴为执行部庶务，确立了"三民主义"为指导思想。
同盟会成立当天，会员们在盟约上按指印时，陈天华突然站起，将自己撰写的《猛回头》手稿放在桌上："此乃吾之绝笔，愿与诸君共勉！"这位以笔为枪的革命家，因反对日本颁布《取缔清国留学生规则》，不久后便在东京大森海湾投海自尽，遗书里写道："唯有牺牲可唤醒国人。"（《陈天华集》）他的死激起轩然大波，数千留学生罢课抗议，更多人因此投身同盟会，连原本主张改良的梁启超都感叹："革命党之势，一日千里。"
同盟会机关报《民报》的创刊，成了革命思想传播的号角。光绪三十一年十月（1905年11月），第一期《民报》问世，孙中山在发刊词中首次系统阐述"三民主义"：民族主义要"驱除鞑虏，恢复中华"，推翻满清统治；民权主义要"创立民国"，建立民主共和；民生主义则以"平均地权"解决社会问题。（《孙中山全集》第一卷）通俗来说就是：用民族革命推翻清朝统治，用政治革命建立共和政府，用社会革命解决土地问题，三者相辅相成，才能实现中国的复兴。
《民报》与梁启超主持的《新民丛报》展开了长达三年的论战。梁启超认为"中国民智未开，不能行共和"，主张"君主立宪"；汪精卫在《民报》上针锋相对："民权者，天赋之权，岂因民智未开而可夺？"（《汪精卫文集》）这场论战席卷了海内外华人社群，新加坡的《中兴日报》、旧金山的《大同日报》纷纷转载，连偏远州县的学堂里，学生们都偷偷传阅剪报，"共和民权"成了最时髦的词汇。
孙中山则奔波于世界各地，为革命募集资金。光绪三十二年（1906年），他在吉隆坡华侨会馆演讲时，指着台下的橡胶园主说："诸君在海外经商，受尽洋人欺凌，皆因祖国不强。若革命成功，建立民国，诸君回国投资，必能扬眉吐气。"（《孙中山南洋演讲集》）华侨们深受触动，当场认捐数万元。仅1905至1907年，同盟会便从海外募集到二十多万银元，为武装起义提供了关键资金。
在国内，同盟会员们深入新军、会党，秘密发展组织。安徽的徐锡麟在巡警学堂担任监督，借机培养革命骨干；四川的熊克武在泸州设立"酒肆"，作为联络据点；湖南的焦达峰则加入哥老会，成为"龙头大哥"。到光绪三十三年（1907年），同盟会已在国内十八省建立分会，会员达数万人，连张之洞的门生吴禄贞都暗中加入，在新军第六镇中发展势力。
光绪三十二年十二月（1907年1月），萍浏醴起义打响了同盟会成立后的第一枪。湖南浏阳的会党首领龚春台以"中华国民军南军革命先锋队"名义发布檄文，宣称"必破除数千年之专制政体，不使君主一人独享特权于上"（《萍浏醴起义史料》）。起义军十几天内发展到三万人，一度攻占萍乡煤矿，却因缺乏统一指挥、装备落后，最终被清军镇压，刘道一、蔡绍南等志士牺牲。
孙中山在河内得知消息，既痛惜又振奋："此次起义虽败，然革命思想已深入民心。"（《孙中山年谱》）他随即策划了一系列西南边境起义：1907年5月的潮州黄冈起义，7月的惠州七女湖起义，9月的钦州防城起义，12月的镇南关起义。在镇南关之役中，孙中山亲赴前线，在战壕里为伤员包扎，还亲手发炮轰击清军阵地，事后笑着说："吾亦能为战士矣。"（《黄兴回忆录》）
