在政府军的反扑下，各路革命党人均因寡不敌众而迅速溃败。夺取制造局的计划也终于落空。
这时，在渔阳里五号总机关坐镇指挥的陈其美，闻肇和舰炮声一响，即率领吴忠信、蒋介石、丁景良、周应时等冒险赶赴华界，准备就近指挥一切。但走到半路上，即传来各路起义军相继失利的消息，陈其美等人急忙赶回总部，商议再取应瑞、通济两舰计划及布置各路重新反攻计划。正在计议之中，忽有法租界巡捕房侦探及巡捕十余人破门而入，当即逮捕了在楼下望风的陈果夫、丁景良二人。陈其美、吴忠信、杨庶堪等人听到楼下骚动，迅速登上了屋顶逃脱。后转移至蒋介石的寓所——新民里十一号，隐蔽了起来，计划天亮后雇佣小船登上肇和舰，固守肇和舰，继续战斗。
由于革命党的指挥机关遭到破坏，联络中断，陆上再组织进攻的计划无从实现了。各路起义军失败后，只剩下了肇和舰在孤军作战。
在肇和舰起义时，即向应瑞、通济两舰发出信号，问其是否同意起义。两舰皆发回信号，称“正在会议，当可赞同，请勿攻击”。肇和舰得此信息后，便以为制造局为义军占领，静心等待两舰的响应。
直到凌晨，他们等到的不是两舰的响应，而是大炮声隆隆，炮弹向肇和舰飞来。这令杨虎猝不及防。忽然，一发炮弹飞来，一声巨响，舰上的汽炉中弹引爆了，十几名战士被炸死在甲板上，血迹斑斑……
原来是夜半1时，杨善德、萨镇冰与海军总司令李鼎新等人直到江南制造局，商议对付肇和舰的办法。经请示袁世凯后，决定击沉肇和舰。并从交通银行取现款20万银元，由萨镇冰亲自送到应瑞、通济二舰上，收买这两艘军舰向肇和舰开炮，并许诺在事成之后，加封100万元犒赏费。当贿款运到后，应瑞、通济二舰上的气氛顿时改变，一些原来已答应参加起义的官兵在得到厚贿后，又垂涎于今后的高官厚禄，纷纷改变主意，转而攻击肇和舰。两舰上的革命党人虽然竭力阻拦，但经不起金钱利诱的官兵占了多数，革命党人也就无能为力了。
6日拂晓4时许，肇和舰在毫无思想准备的情况下急忙发炮还击。但慌乱之下，多数炮弹均未能击中敌舰，而肇和舰上指挥的杨虎原打算将舰开出吴淞口，以避打击，但革命党人又不懂驾驶，无法开船，只能据守肇和舰应战到底，杨虎在败局已定的情况下，不得不下令弃舰撤退。杨虎等凫水脱险，陈可钧等数十人因伤势严重，无法行动，被政府军捕获，后来全被杀害。
肇和舰起义，从开始到结束，前后不满12小时，革命党人被捕四十余人，伤七十余人。陈其美后来总结说，“财力不足”是肇和舰起义失败的主要原因。据说，这次起义从酝酿到事后的抚恤，革命党人仅用了4万元，而袁世凯仅收买应瑞、通济两舰却花了20万元，两者相差悬殊。
肇和舰起义虽然失败了，但其影响仍然是相当大的，极大地震撼了中国。
袁世凯如坐针毡，被迫取消帝制
肇和舰起义虽然失败了，但它以无可辩驳的事实戳穿了袁世凯及其拥护者们所谓帝制运动出于真正民意的谎言，给帝制活动以当头一棒。孙中山高度评价说：“肇和一役，事虽未集，然挽回民气，使由静而动，实为西南义军之先导。”复辟帝制丧尽民心，袁世凯把自己送上了绝路。
12月，孙中山发表《讨袁宣言》，痛斥袁世凯的种种罪行：
“今袁背弃前盟，暴行帝制，解散自治会，而闾阎无安民矣；解散国会，而国家无正论矣；滥用公款，谋杀人才，而陷国家于危险之地位矣；假名党狱而良懦多无辜矣。有此四者，国无不亡，国亡则民奴。……既忘共和，即称民贼。”表示“誓死戮此民贼，以拯救吾民”，号召“爱国之豪杰共图之”。革命党人以武装起义反击袁氏的倒行逆施，在这一时期革命党人组织的起义中，首推云南最为成功。
12月17日，前江西都督李烈钧偕同熊克武、方声涛、但懋辛等，奉中山先生命令，潜抵昆明，策动起兵讨袁。在此以前，孙中山已派李华英从东京前往北京与蔡锷联系，动员蔡锷南下反袁；同时，孙中山又通过革命党人张孝准以老同学身份与蔡锷联系，希望他到东京共商讨袁大计。蔡锷于1915年11月11日乔装打扮到前门车站上车到天津，一周后偕同老同学张孝准乘日轮“山东丸”到达东京。从东京经香港、河内顺利到达昆明，会同李烈钧、唐继尧等发动讨袁起义。
云南，天高皇帝远。袁世凯鞭长莫及。
23日，蔡、李、唐高举义旗，发表讨袁声明：要求袁取消帝制，严惩祸首，限其24小时内予以答复。
25日，云南义军通电全国，宣布云南独立，唐继尧为护国军政府都督，兴师讨袁。
26日，云南组织护国军。任命蔡锷为第一军总司令，罗佩金为参谋长。下辖三团六个支队，需要说明的是第三支队司令就是朱德同志。讨伐路线为出四川入武汉；任命李烈钧为第二军总司令，何国钧为参谋长。讨伐路线为经广西、广东，取道湖南、江西至武汉；会师后，再分兵向北挺进；唐继尧兼任第三军总司令，担任留守，负责粮饷供给及后勤工作。
1916年元旦，欢乐的节日，欢乐的气氛。
北京城里袁世凯欲穿黄袍之时，云南却是讨袁声声。昆明校场，彩旗猎猎，军歌嘹亮，一、二、三军，六千余人会合在这里高呼：“打倒卖国贼袁世凯！”“拥护民主共和！”整个昆明市沸腾了。随着总司令的命令，队伍浩浩荡荡开往前线。
北京城里正在做皇帝梦的袁世凯，见美梦难以成真，急忙调兵遣将。命令曹辊、张敬尧部三个师取道重庆进趋泸州，另遣四个师入黔，又电令伍祥祯旅和川军刘存厚的第二师布防川南，派龙觐光率军由粤入桂夹击滇南，妄图以优势兵力，迅速扑灭护国军。
1月28日，第三次革命的炮声响起，袁军开始反攻，双方战于杀场。激战第四天，袁军腹背受敌，顿时陷于混乱，争相奔逃，死者无计其数。袁军第一次夺取叙府的企图被挫败。
31日，冯玉祥的混成旅从南溪反扑过来，与护国军一营在白沙场遭遇，被打得落荒而逃。袁军第二次夺取叙府的企图又告失败。时隔不久，袁军又从犍为和屏山两路进攻，护国军先将巡防军一路乌合之众驱逐远遁，继之集中兵力迎击另一路来犯之敌。经过牛石坪一场激战，敌人又被击溃。从1月末到2月底，整整一个月，袁军四路夺取叙府的企图被全部粉碎。
东路第二梯团到达贵州毕节后转向北进，于2月1日占领四川纳溪。袁军方面的防守部队，是川军刘存厚师和张敬尧的援川军先遣队，刘存厚师辖有雷飙和熊祥生两旅。刘、雷二人同蔡锷关系非常密切，云南宣布独立前夕，蔡曾分别致电雷、刘，将起义讨袁和军事计划先行告知，请其速做准备。护国军进抵纳溪后，刘遂于当日宣布独立，改称护国军四川总司令，率雷旅向附袁的熊祥生旅进攻，占领益田坝、月亮岩，与泸州隔江对峙。2月6日，护国军一度攻占泸州战略要地五峰顶后又被迫退出。不久，张敬尧的第七师全部赶到泸州，护国军方面赵又新、罗佩金和顾品珍率部亦先后到达纳溪。战争至此发生转机，袁军始终未能突破护国军防线。朱德支队在战斗中担负的任务最为艰巨，对于巩固护国军阵地起了重要作用。后来曹锟的第三师和李长泰的第八师分别到达重庆、合江两地，蔡锷即亲临前线指挥。双方鏖战多日，袁世凯虽然特封熊祥生二等男爵，李炳之、吴佩孚三等男爵，进行打气，亦未能稍扭战局。战事陷入相持状态。通过历次战役，张敬尧的第七师伤亡枕藉，由入川时的9000人减少到5000人。吴佩孚旅被杀得尸横遍野，伏居战壕，不敢越雷池一步。新到的第八师也闻风丧胆。
护国军中多数军官原是革命党人，48名将领中就有27人是同盟会员、国民党员或中华革命党员。他们把孙中山奉为领袖，曾为创造共和国而战斗过。在护国战争中，他们身先士卒英勇作战。护国军在人民武装力量的配合下，同时，又从贵州都督刘显世处得到5万元军饷的支援，3月下旬，势如破竹地攻占了江安、南川、纳溪、彭水、基江等县，北洋军全线崩溃，护国战争取得了重大胜利。
与护国军进军的同时，革命党人在其他地方也广泛开展起武装反袁斗争。1月6日，广东中华革命军在淡水等地起义，进攻惠州，占领平山。2月18日，居正、许崇智率领中华革命军东北军在山东起义，一周内连克乐昌、高密、益都、安丘、昌邑和寿光六座县城。2月9日，朱执信率部进攻广州。18日，蔡济民等在武昌南湖策动军队起义。2月21日，杨王鹏率领百余人在长沙分途袭击将军府和警察署。这些起义虽然有的被镇压下去，但它表明反袁斗争的范围在迅猛地扩展着。
袁军在川南、湘西的败北，革命党人在其他地方的突起，争取日本的失败，再加上五国又提出口头警告，日本在满洲一带策动宗社党起事，迫使袁世凯不得不把帝制活动暂时延缓下来。2月23日，他装出一副悲天悯人的样子宣布：“现值滇、黔倡乱，惊扰闾阎，湘西、川南一带，因寇至而荡析离居者，耳不忍闻，痛念吾民，难安寝馈。加以奸人造言，无奇不有。以予救民救国之初心，转资争利争权之借口，遽正大位何以自安？予意已决，必须从缓。凡我爱国之官吏士庶，当能相谅。此后凡有吁请早正大位各文电，艾不许呈递，将此通谕知之。”接着又通知各国公使宣称云南事未平以前，绝不登基。
袁世凯妄想恢复帝制的倒行逆施，不但激起了全国人民的强烈反对，而且连他的心腹亲信，也开始众叛亲离。1915年9月，黎元洪请辞副总统、参政院长职，迁居东厂胡同，不再到公府议事，同时还提出请求，撤销其武义亲王的爵称。10月，徐世昌请辞国务卿职，也迁出官邸，搬到了蝴蝶胡同。12月，参政梁启超溜到上海，教育总长汤化龙、参政熊希龄、总检察长罗文干等也纷纷要求辞职或请假出京。在新皇帝登基前，出现了一个政府官员辞职的风潮。1916年3月中旬，江苏将军冯国璋、江西将军李纯、山东将军靳云鹏、浙江将军朱瑞、湖南将军汤芗铭五人准备联名要求袁世凯取消帝制的电文，于3月19日落在袁世凯手中，虽被袁扣压未发表，但这对他无异于当头一棒。在云南、贵州、广西、广东、浙江、陕西宣布独立之后，一度热衷怂恿袁世凯称帝的四川将军陈宦、湖南将军汤芗铭也先后宣布了独立。
此时，全国反袁的呼声不绝于耳，各地纷纷发表宣言、通电、声明，反对袁世凯继续当总统，并要求对他惩办。有以“19省公民”名义发表宣言的，指出：“袁逆不死，大祸不止”，“捕杀此獠，以绝乱种”。有的在声明中说：“袁已构成谋判之罪，丧失总统资格”，要他“静待国民组织特别法庭听受裁判”。
袁世凯眼看大势不好，于3月22日发表声明，宣布取消帝制，妄想保住总统的地位。接着，他忧虑成疾，卧床不起。从改元洪宪到废止洪宪年号，前后83天。他当了83天的闭门天子，登基大典尚未举行，“圣旨”不出宫门，就被全国人民从君主的宝座上赶了下来。
至此，孙中山领导的第三次革命，算是结束。