11月3日，陳其美領導的上海起義爆發，隨即上海光復。消息傳到杭州，杭州的革命志士們十分踊躍，當即決定於11月4日夜發動起義，分別從杭州郊外的筧橋和南星橋出發進城，分別以浙江巡撫衙門和旗營爲主要攻擊目標。先鋒敢死隊分成兩隊，一隊由王金髮率領，配合攻擊旗營，另一隊由張伯岐率領，配合攻擊巡撫衙門。蔣介石參加了攻擊巡撫衙門的戰鬥，並與張伯岐、董夢蛟、孫貫生等各率一組，分頭前進。戰鬥打響後，先鋒敢死隊員個個爭先恐後，奮勇殺敵，浙江撫署衛隊見狀未作抵抗，便投降了。11月5日，杭州即告光復。
蔣介石完成使命，隨即與他人返回上海，向陳其美覆命，陳對蔣的表現較爲滿意，着實誇獎了一番。
此時的上海卻不平靜。以陳爲首的同盟會一方，以李燮和、陶成章爲首的光復會一方，還有以李平書爲代表的商團一方，三方各有打算，都準備乘機奪權。最後陳其美技高一籌，先聲奪人。11月6日，上海紳商、革命黨人和會黨代表經過協商，決定成立滬軍都督府，推舉陳其美爲滬軍都督兼都督府司令部長，黃郛任參謀部長。滬軍都督府成立後，積極配合同盟會駐滬機關推動東南地區的起義光復，先後幫助浙江、江蘇光復。上海光復後，市面秩序良好，人心穩定，社會各界支持革命，紛紛掀起了規模較大的參軍和募餉熱潮。陳其美乘勢組建滬軍，蔣介石因爲參加先鋒敢死隊，贏得杭州光復勝利，取得陳其美的信任和青睞，而被任命爲第二師第五團團長，其頂頭上司爲旅長張宗昌。
蔣介石從日軍炮兵聯隊的實習生一躍而爲團長，可謂平步青雲，連升幾級。蔣一方面感到僥倖有餘，一方面感到底氣不足，不知如何統兵部署。蔣介石到任後，老老實實秉承陳其美的旨意，協助整編軍隊，訓練新兵，維持上海治安，還參與了一些機要事宜。
在工作中，蔣介石兢兢業業，不敢敷衍。蔣時常教導士兵相關革命觀念，第一是推倒清朝、恢復中華；第二爲平民解除痛苦。至於權位二字未敢放在心上。那些新募的士兵，本是粗漢無賴和普通百姓，經過蔣的訓練後，已變成了一支具有較強戰鬥力的部隊。陳其美以及其身邊的所屬要員、朋友都對蔣介石刮目相看，蔣的口碑甚好。
在這一時期蔣介石繼續延續和密切同陳其美的關係，蔣介石與陳其美之間的合作，或者說蔣對陳的支持和陳對蔣的提攜是相依而生，非常默契的。外人是看不出的，只有陳蔣二人心中有數，彼此信任，相互理解。陳其美往往把最秘密、最功利的任務交給蔣介石完成，蔣當然責無旁貸，並竭其所能，力求完美，甚至不惜押上了個人的所有賭注。因爲蔣心裡清楚，陳其美的每進一步，都意味着蔣更加接近自己的理想。同樣，陳的計劃破產、行動失敗，也意味着蔣介石個人的抱負實現受阻，兩福與共，安危相依，休慼與共。
不過，蔣介石的提升必須以陳的成功和勝利爲前提，也就是說在蔣的發跡之前必須首先要有陳其美的成功和勝利，只要有陳其美在，蔣介石永遠都無法僭越，必須跟着陳其美亦步亦驅。但是，因爲蔣知道他與陳其美的關係是相當可靠的，因此他跟隨效命，自覺無怨無悔。
除了陳其美、蔣介石之外，還有一個名爲黃郛的，同是浙江人，並且也在日本學過軍事，意氣相投。在光復上海和杭州的過程中，三人又增進了解，更覺知己難覓，相逢恨晚，於是三人便互換蘭譜，結爲盟兄弟，以後黃郛在蔣介石的政治生涯中起了他人不可替代的作用。
3．流亡日本
1912年1月1日，中華民國宣佈成立，舉國歡慶，共慶佳日。中華民國成立後僅13天，光復領袖陶成章，竟在上海住院養病時遇刺身亡，消息傳出，震動上海，驚醒全國。這實際上是陶成章與陳其美個人積怨的最終了結。
陶成章，字煥卿，浙江紹興人。是光復會領袖之一，負責聯絡蘇、浙、皖、閩、贛五省的會黨工作，他與下層社會有着廣泛的聯繫，曾多次組織發動武裝起義，在國內外享有較大的名望和影響。
陶成章與陳其美的矛盾由來已久。廣州起義失敗之後，同盟會損失慘重，陶成章急於想知道同盟會的下步計劃，要當時任光復會南洋支部執行員的李燮和去打聽同盟會今後的動向。李燮和於是找了一家粵菜館宴請陳其美，言談之中，流露出欲繼續在上海發展之意。
李燮和與陶成章商議，陶成章繼續去南洋籌款，李燮和到上海籌建上海支部，擴展光復會的力量，以便與同盟會分庭抗禮，這樣便與陳其美產生了矛盾和競爭。
先是李燮和在爭取吳淞炮臺總檯長姜國樑一事上輸給了陳其美。緊接着，陶成章回國，帶回鉅款。陳其美得知這一消息，欲從中分取一部分。同盟會在上海工作很有成就，惟獨缺乏經費，上海組織起義，更需要一筆經費，陶成章帶來的鉅款無疑可解燃眉之急。
陶成章此時也深感光復會在上海雖有些力量，但如果不與同盟會聯合，光復會也難成氣候，只有聯合起來，才能成大事。
陶成章與陳其美議定同時發起起義，同盟會和光復會各自負責一部分區域，分進合擊，光復上海。最後談到經費問題，陶成章解釋道：“光復會從不認爲華僑捐款是專給光復會的。既然要合作，經費當然要合作的。”說着他從口袋裡摸出一張匯豐銀行的匯票，數額5萬元。
陳其美正要接這張匯票時，陶成章忽然臉色一沉，把手縮了回來，用手指指匯票說：“不過還要提醒一句，這錢來之不易，是專供革命用的，可不能用來。”原來陳其美與當地名妓筱翠雲雙宿雙飛的事，陶成章也有所耳聞。
陶成章這句話不說則已，一說出來，會場頓時譁然。陳其美從座位上跳了起來，用手指着陶成章吼道：“你這話是什麼意思？誰用革命的錢了？你說出來！”陶成章不甘示弱，說道：“王小二此處無銀三百兩，君子不疑，疑者非君子！”
陳其美氣得七竅生煙，從口袋裡掏出手槍。幸虧坐在陳其美身邊的人眼疾手快，一下把陳其美的手按下，避免了一場流血。會議雖說有了結果，卻不歡而散，尤其是陳其美和陶成章個人之間更添一層私仇，從此埋下隱患。
上海光復時，陶成章的功勞並不在陳其美之下，但陶卻未能當成上海都督，心有不滿。就在這時，陶成章與孫中山又爆發了爭執。他指責孫中山將南洋籌來的款子用到不明的地方去了，孫中山非常氣憤，陳其美對陶成章也非常憤恨，想除之而後快。
陳其美的心事，蔣介石自然是摸得一清二楚。他對陳其美素懷感恩之心，此時更覺得替盟兄除掉心腹大患是自己當仁不讓的責任，這正中陳其美下懷。
陶成章很快就聽說陳其美要準備刺殺他了，他已經悄悄地轉移了好幾處地方，由客利旅館、國民聯合會、光復會機關匯中旅館，最後又悄悄地住進了廣慈醫院。
在暗殺陶成章一事上，蔣介石買通了光復會的王竹卿。王竹卿與同盟會早已暗中往來，他常拿光復會的機密做交易以撈取外快。蔣介石以此爲要挾，王竹卿只得乖乖就範。
1912年1月16日凌晨2時，上海法租界金神父路廣慈醫院裡的醫生和病人均已進入夢鄉，連警衛也關上了門，沉沉睡去。忽然有兩條黑影悄無聲息地來到醫院大門口，推門推不開，便拿出事先準備好的工具撬門，大門很快被撬開。
進來的兩人對路徑很熟悉，迅速上樓，直接來到陶成章住的病房。房門虛掩着，輕輕推開門，閃身而入，踮起腳走到牀邊。其中一人輕輕叫道：“陶先生……”另一人早已拔槍在手，對着陶成章的頭部扣動扳機，兩名刺客很快逃走了。後經醫生檢視，子彈從左頰入，斜穿腦部而出，陶成章當即身亡。
陶成章被暗殺，舉國震驚，上海各界更是議論紛紛。早有人懷疑到陳其美頭上，但沒有實據，只好掛起來。後來，接踵而至的二次革命、護國戰爭，1916年陳其美被暗殺，使“陶案”擱置起來，再往後，蔣介石青雲直上，成爲中國第一人，陶案真相再也沒有揭開的可能了。
刺陶事情發生後，蔣介石潛逃日本，這是蔣介石第三次東渡日本。蔣此次東渡，名義上是出國深造，學德語，準備前往德國留學。
蔣介石來到日本後，當然不會安下心來學德語，他仍然對國內局勢密切關注。他不甘寂寞，積極尋找機會從事革命行動。到了下半年，他便與一些人合作在幾本辦起了《軍聲》雜誌。
在很短時間內。蔣介石在《軍聲》雜誌上先後發表6篇文章：《發刊詞》、《革命戰後軍政之經營》、《軍校統一問題》、《蒙藏問題之根本解決》、《徵蒙作戰爭議》和《巴爾幹戰局影響於中國與列國之外交》等。這些文章表達了蔣介石早期的不太成熟的軍事思想。
首先，蔣介石像其他革命領導人一樣認爲國內問題已經解決，對外問題，從今以後要開始了。對外問題最重要者爲軍事，凡是講信修睦、締結條約，都應該籍此爲城。其次，蔣介石開始接觸社會達爾文主義，並將一些基本信條引申到國家關係中來。再次，宣揚對俄嚴防，對日本則能退則退。
在主辦《軍聲》雜誌過程中，蔣介石學到了不少東西，初步形成了自己的一套治國安邦的謀略，並在後來的實踐中，逐步將其完整化、系統化。
但蔣介石畢竟是身在曹營心在漢，在日本，他亦不敢拋頭露面，他將在日本的生活境遇向陳作了如實彙報，希望陳能早點讓他回國。
1912年冬，蔣介石從日本回國，但仍害怕刺殺陶成章的罪行被人揭發，也不敢在上海政界中露面，如銷聲匿跡一般。直到全國上下一片討袁之聲，刺陶之事淡爲淡化之際，蔣介石才又開始在陳其美的庇護下活躍起來。
4．投身反袁鬥爭
爲反對袁世凱刺殺宋教仁和善後大借款，7月12日江西都督李烈鈞在湖口宣告獨立，緊接着黃興在南京也起兵，隨後安徽、上海、廣東等地相繼響應，是謂二次革命。
此時，孫中山正命令陳其美在上海響應全國，舉兵討袁。7月16日，陳其美在上海揭竿而起，被推舉爲時袁軍總司令，18日，發表上海獨立宣言，通電全國。
蔣介石被陳其美派到袁世凱軍第九十三團做策反工作，第九十三團原本是辛亥革命時蔣介石任團長的滬軍第五團，但此時該團團長陳其蔚已被袁世凱收買，他避而不見蔣介石。
蔣介石無奈，只說服了一個營的士兵參加討袁。蔣介石隨後率領這一營兵力，配合鈕永建部，夾攻上海的軍事要地——江南製造局。製造局駐紮着袁世凱的心腹、海軍中將鄭汝成率領的北洋精銳團，他依仗有利地形，沉着應戰，停泊在黃浦江上的海軍艦隊也用強大炮火支援鄭汝成。
結果，討袁軍傷亡慘重，被迫紛紛後撤。經過一星期殊死搏鬥，討袁軍越戰越弱，士兵傷亡散走大半，潰不成軍，連蔣介石的營長張紹良也陣亡了。8月13日，上海討袁軍徹底失敗。
討袁之役失敗後，陳其美、蔣介石不得不潛入地下。鄭汝成四處張貼告示，懸賞兩千元大洋捉拿要犯蔣介石。
上海頓時風聲鶴唳，蔣介石無法立足，在革命黨人掩護下，悄悄返鄉。蔣介石本想去家裡躲避一番，但怕溪口熟人太多，露出什麼風聲，反倒不好，於是轉身到了離家10餘華里的蕭王廟孫家舅母家裡，躲過一劫。1913年12月間，蔣介石再次東渡日本。
蔣介石來到日本後，馬上與陳其美匯合。而此時，孫中山也流亡至日本，並且積極籌劃成立中華革命黨，以便繼續團結革命力量，重整旗鼓，再次形成一支以他爲核心的有戰鬥力的革命隊伍。1913年9月，中華革命黨成立，而陳其美則成爲孫中山爲數不多的心腹之一。
陳其美多次向蔣提到，在適當的時機將其引見給孫中山，蔣介石心中自是十分歡喜，陳其美常與孫中山時常也會有意無意地提到蔣介石。時間稍長一些，孫中山對蔣介石有了一些間接瞭解，況且孫也的確是感到人才缺乏，當他得知蔣介石此刻就在日本，便欣然答應見蔣一面。