11月3日，陈其美领导的上海起义爆发，随即上海光复。消息传到杭州，杭州的革命志士们十分踊跃，当即决定于11月4日夜发动起义，分别从杭州郊外的笕桥和南星桥出发进城，分别以浙江巡抚衙门和旗营为主要攻击目标。先锋敢死队分成两队，一队由王金发率领，配合攻击旗营，另一队由张伯岐率领，配合攻击巡抚衙门。蒋介石参加了攻击巡抚衙门的战斗，并与张伯岐、董梦蛟、孙贯生等各率一组，分头前进。战斗打响后，先锋敢死队员个个争先恐后，奋勇杀敌，浙江抚署卫队见状未作抵抗，便投降了。11月5日，杭州即告光复。
蒋介石完成使命，随即与他人返回上海，向陈其美复命，陈对蒋的表现较为满意，着实夸奖了一番。
此时的上海却不平静。以陈为首的同盟会一方，以李燮和、陶成章为首的光复会一方，还有以李平书为代表的商团一方，三方各有打算，都准备乘机夺权。最后陈其美技高一筹，先声夺人。11月6日，上海绅商、革命党人和会党代表经过协商，决定成立沪军都督府，推举陈其美为沪军都督兼都督府司令部长，黄郛任参谋部长。沪军都督府成立后，积极配合同盟会驻沪机关推动东南地区的起义光复，先后帮助浙江、江苏光复。上海光复后，市面秩序良好，人心稳定，社会各界支持革命，纷纷掀起了规模较大的参军和募饷热潮。陈其美乘势组建沪军，蒋介石因为参加先锋敢死队，赢得杭州光复胜利，取得陈其美的信任和青睐，而被任命为第二师第五团团长，其顶头上司为旅长张宗昌。
蒋介石从日军炮兵联队的实习生一跃而为团长，可谓平步青云，连升几级。蒋一方面感到侥幸有余，一方面感到底气不足，不知如何统兵部署。蒋介石到任后，老老实实秉承陈其美的旨意，协助整编军队，训练新兵，维持上海治安，还参与了一些机要事宜。
在工作中，蒋介石兢兢业业，不敢敷衍。蒋时常教导士兵相关革命观念，第一是推倒清朝、恢复中华；第二为平民解除痛苦。至于权位二字未敢放在心上。那些新募的士兵，本是粗汉无赖和普通百姓，经过蒋的训练后，已变成了一支具有较强战斗力的部队。陈其美以及其身边的所属要员、朋友都对蒋介石刮目相看，蒋的口碑甚好。
在这一时期蒋介石继续延续和密切同陈其美的关系，蒋介石与陈其美之间的合作，或者说蒋对陈的支持和陈对蒋的提携是相依而生，非常默契的。外人是看不出的，只有陈蒋二人心中有数，彼此信任，相互理解。陈其美往往把最秘密、最功利的任务交给蒋介石完成，蒋当然责无旁贷，并竭其所能，力求完美，甚至不惜押上了个人的所有赌注。因为蒋心里清楚，陈其美的每进一步，都意味着蒋更加接近自己的理想。同样，陈的计划破产、行动失败，也意味着蒋介石个人的抱负实现受阻，两福与共，安危相依，休戚与共。
不过，蒋介石的提升必须以陈的成功和胜利为前提，也就是说在蒋的发迹之前必须首先要有陈其美的成功和胜利，只要有陈其美在，蒋介石永远都无法僭越，必须跟着陈其美亦步亦驱。但是，因为蒋知道他与陈其美的关系是相当可靠的，因此他跟随效命，自觉无怨无悔。
除了陈其美、蒋介石之外，还有一个名为黄郛的，同是浙江人，并且也在日本学过军事，意气相投。在光复上海和杭州的过程中，三人又增进了解，更觉知己难觅，相逢恨晚，于是三人便互换兰谱，结为盟兄弟，以后黄郛在蒋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，中华民国宣布成立，举国欢庆，共庆佳日。中华民国成立后仅13天，光复领袖陶成章，竟在上海住院养病时遇刺身亡，消息传出，震动上海，惊醒全国。这实际上是陶成章与陈其美个人积怨的最终了结。
陶成章，字焕卿，浙江绍兴人。是光复会领袖之一，负责联络苏、浙、皖、闽、赣五省的会党工作，他与下层社会有着广泛的联系，曾多次组织发动武装起义，在国内外享有较大的名望和影响。
陶成章与陈其美的矛盾由来已久。广州起义失败之后，同盟会损失惨重，陶成章急于想知道同盟会的下步计划，要当时任光复会南洋支部执行员的李燮和去打听同盟会今后的动向。李燮和于是找了一家粤菜馆宴请陈其美，言谈之中，流露出欲继续在上海发展之意。
李燮和与陶成章商议，陶成章继续去南洋筹款，李燮和到上海筹建上海支部，扩展光复会的力量，以便与同盟会分庭抗礼，这样便与陈其美产生了矛盾和竞争。
先是李燮和在争取吴淞炮台总台长姜国梁一事上输给了陈其美。紧接着，陶成章回国，带回巨款。陈其美得知这一消息，欲从中分取一部分。同盟会在上海工作很有成就，惟独缺乏经费，上海组织起义，更需要一笔经费，陶成章带来的巨款无疑可解燃眉之急。
陶成章此时也深感光复会在上海虽有些力量，但如果不与同盟会联合，光复会也难成气候，只有联合起来，才能成大事。
陶成章与陈其美议定同时发起起义，同盟会和光复会各自负责一部分区域，分进合击，光复上海。最后谈到经费问题，陶成章解释道：“光复会从不认为华侨捐款是专给光复会的。既然要合作，经费当然要合作的。”说着他从口袋里摸出一张汇丰银行的汇票，数额5万元。
陈其美正要接这张汇票时，陶成章忽然脸色一沉，把手缩了回来，用手指指汇票说：“不过还要提醒一句，这钱来之不易，是专供革命用的，可不能用来。”原来陈其美与当地名妓筱翠云双宿双飞的事，陶成章也有所耳闻。
陶成章这句话不说则已，一说出来，会场顿时哗然。陈其美从座位上跳了起来，用手指着陶成章吼道：“你这话是什么意思？谁用革命的钱了？你说出来！”陶成章不甘示弱，说道：“王小二此处无银三百两，君子不疑，疑者非君子！”
陈其美气得七窍生烟，从口袋里掏出手枪。幸亏坐在陈其美身边的人眼疾手快，一下把陈其美的手按下，避免了一场流血。会议虽说有了结果，却不欢而散，尤其是陈其美和陶成章个人之间更添一层私仇，从此埋下隐患。
上海光复时，陶成章的功劳并不在陈其美之下，但陶却未能当成上海都督，心有不满。就在这时，陶成章与孙中山又爆发了争执。他指责孙中山将南洋筹来的款子用到不明的地方去了，孙中山非常气愤，陈其美对陶成章也非常愤恨，想除之而后快。
陈其美的心事，蒋介石自然是摸得一清二楚。他对陈其美素怀感恩之心，此时更觉得替盟兄除掉心腹大患是自己当仁不让的责任，这正中陈其美下怀。
陶成章很快就听说陈其美要准备刺杀他了，他已经悄悄地转移了好几处地方，由客利旅馆、国民联合会、光复会机关汇中旅馆，最后又悄悄地住进了广慈医院。
在暗杀陶成章一事上，蒋介石买通了光复会的王竹卿。王竹卿与同盟会早已暗中往来，他常拿光复会的机密做交易以捞取外快。蒋介石以此为要挟，王竹卿只得乖乖就范。
1912年1月16日凌晨2时，上海法租界金神父路广慈医院里的医生和病人均已进入梦乡，连警卫也关上了门，沉沉睡去。忽然有两条黑影悄无声息地来到医院大门口，推门推不开，便拿出事先准备好的工具撬门，大门很快被撬开。
进来的两人对路径很熟悉，迅速上楼，直接来到陶成章住的病房。房门虚掩着，轻轻推开门，闪身而入，踮起脚走到床边。其中一人轻轻叫道：“陶先生……”另一人早已拔枪在手，对着陶成章的头部扣动扳机，两名刺客很快逃走了。后经医生检视，子弹从左颊入，斜穿脑部而出，陶成章当即身亡。
陶成章被暗杀，举国震惊，上海各界更是议论纷纷。早有人怀疑到陈其美头上，但没有实据，只好挂起来。后来，接踵而至的二次革命、护国战争，1916年陈其美被暗杀，使“陶案”搁置起来，再往后，蒋介石青云直上，成为中国第一人，陶案真相再也没有揭开的可能了。
刺陶事情发生后，蒋介石潜逃日本，这是蒋介石第三次东渡日本。蒋此次东渡，名义上是出国深造，学德语，准备前往德国留学。
蒋介石来到日本后，当然不会安下心来学德语，他仍然对国内局势密切关注。他不甘寂寞，积极寻找机会从事革命行动。到了下半年，他便与一些人合作在几本办起了《军声》杂志。
在很短时间内。蒋介石在《军声》杂志上先后发表6篇文章：《发刊词》、《革命战后军政之经营》、《军校统一问题》、《蒙藏问题之根本解决》、《征蒙作战争议》和《巴尔干战局影响于中国与列国之外交》等。这些文章表达了蒋介石早期的不太成熟的军事思想。
首先，蒋介石像其他革命领导人一样认为国内问题已经解决，对外问题，从今以后要开始了。对外问题最重要者为军事，凡是讲信修睦、缔结条约，都应该籍此为城。其次，蒋介石开始接触社会达尔文主义，并将一些基本信条引申到国家关系中来。再次，宣扬对俄严防，对日本则能退则退。
在主办《军声》杂志过程中，蒋介石学到了不少东西，初步形成了自己的一套治国安邦的谋略，并在后来的实践中，逐步将其完整化、系统化。
但蒋介石毕竟是身在曹营心在汉，在日本，他亦不敢抛头露面，他将在日本的生活境遇向陈作了如实汇报，希望陈能早点让他回国。
1912年冬，蒋介石从日本回国，但仍害怕刺杀陶成章的罪行被人揭发，也不敢在上海政界中露面，如销声匿迹一般。直到全国上下一片讨袁之声，刺陶之事淡为淡化之际，蒋介石才又开始在陈其美的庇护下活跃起来。
4．投身反袁斗争
为反对袁世凯刺杀宋教仁和善后大借款，7月12日江西都督李烈钧在湖口宣告独立，紧接着黄兴在南京也起兵，随后安徽、上海、广东等地相继响应，是谓二次革命。
此时，孙中山正命令陈其美在上海响应全国，举兵讨袁。7月16日，陈其美在上海揭竿而起，被推举为时袁军总司令，18日，发表上海独立宣言，通电全国。
蒋介石被陈其美派到袁世凯军第九十三团做策反工作，第九十三团原本是辛亥革命时蒋介石任团长的沪军第五团，但此时该团团长陈其蔚已被袁世凯收买，他避而不见蒋介石。
蒋介石无奈，只说服了一个营的士兵参加讨袁。蒋介石随后率领这一营兵力，配合钮永建部，夹攻上海的军事要地——江南制造局。制造局驻扎着袁世凯的心腹、海军中将郑汝成率领的北洋精锐团，他依仗有利地形，沉着应战，停泊在黄浦江上的海军舰队也用强大炮火支援郑汝成。
结果，讨袁军伤亡惨重，被迫纷纷后撤。经过一星期殊死搏斗，讨袁军越战越弱，士兵伤亡散走大半，溃不成军，连蒋介石的营长张绍良也阵亡了。8月13日，上海讨袁军彻底失败。
讨袁之役失败后，陈其美、蒋介石不得不潜入地下。郑汝成四处张贴告示，悬赏两千元大洋捉拿要犯蒋介石。
上海顿时风声鹤唳，蒋介石无法立足，在革命党人掩护下，悄悄返乡。蒋介石本想去家里躲避一番，但怕溪口熟人太多，露出什么风声，反倒不好，于是转身到了离家10余华里的萧王庙孙家舅母家里，躲过一劫。1913年12月间，蒋介石再次东渡日本。
蒋介石来到日本后，马上与陈其美汇合。而此时，孙中山也流亡至日本，并且积极筹划成立中华革命党，以便继续团结革命力量，重整旗鼓，再次形成一支以他为核心的有战斗力的革命队伍。1913年9月，中华革命党成立，而陈其美则成为孙中山为数不多的心腹之一。
陈其美多次向蒋提到，在适当的时机将其引见给孙中山，蒋介石心中自是十分欢喜，陈其美常与孙中山时常也会有意无意地提到蒋介石。时间稍长一些，孙中山对蒋介石有了一些间接了解，况且孙也的确是感到人才缺乏，当他得知蒋介石此刻就在日本，便欣然答应见蒋一面。