12月10日晚7时许，张太雷召开军事会议，由参谋长徐光英向准备起义的军官和工人赤卫队干部分析敌我态势，宣布武装起义计划。
12月11日凌晨2时许，张太雷、叶挺、徐光英、周文雍、恽代英和杨达夫（朝鲜籍的炮兵干部）同到北较场四标营教导团驻地，部署起义工作。任命教导团原第1营营长李云鹏为团长，叶镛为第1营营长，赵希杰为第2营营长，饶寿柏为第3营营长。处决了反动的代理团长朱勉芳，逮捕了各营连反动军官几十人，宣布了“暴动”和“夺取政权”的口令，枪毙了15名反动军官。教导团的枪声划破了沉寂的夜空，正式宣告广州工农兵起义。
教导团分3路出发，东路由叶挺、李云鹏率领第2营和炮兵连直奔沙河，消灭步兵团。中路叶镛率领第1营进攻东较场、广九车站和公安局。第1营第1连在工人赤卫队第1联队配合下，攻击公安局和保安大队部。公安局长朱晖日爬越围墙逃跑，保安大队长李作明被击毙。起义军民砸开公安局牢房，救出了800多名共产党员和群众。北路由第3营攻占省长公署和观音山。警卫团则在处决了参谋长唐继元等反动军官后，第3营进攻驻肇庆会馆的第4军司令部、文德路仰忠街的第4军军械库和驻文德路的第12师后方留守处。
第2营态度不明朗，团长梁秉枢命令其原地待命。第1营反对起义，梁秉枢前往解除其武装时，被叛兵击伤。工人赤卫队按预定时间出击，第1联队和敢死队攻打公安局。第2联队攻打第2、6、7区警署和广九车站。第3联队攻打驻太平戏院保安队、第5区警署。第4联队攻打驻大佛寺的保安队及第4区警署。第5联队攻打省长公署、德宣路的警署和观音山的敌军。第6联队攻打芳村警察局、石围塘的保安队和广三铁路车站。第7联队为机动联队，支援各处作战。在黄埔军校毕业的一批越南革命者和工人赤卫队并肩战斗。
市郊西村的农民赤卫军协助工人攻击驻陈家祠的敌军，芳村、花地的农军协助工人进攻广三车站。花县的农军100多人、市郊聚龙村的农军30余人和横滘的农军几十人，先后进入广州支援观音山战斗。南海县农军在大沥等地起义，广九铁路沿线的农军拆毁铁轨，阻击国民党军往广州运兵。
11日天亮前，珠江北岸市区除第4军军部、中央银行、军械库等少数敌军据点外，都已为起义军占领。
6时左右，广州苏维埃政府在原广州市公安局内成立，宣布苏维埃政府政纲和苏维埃政府领导人名单，主席苏兆征（未到任前由张太雷代理），内务兼外交委员黄平，肃反委员杨殷，土地委员彭湃（未到任前由赵自选代理），劳动委员周文雍，司法委员陈郁，经济委员何来，海陆军委员张太雷，秘书长恽代英，工农红军总司令叶挺，工农红军总参谋长徐光英。
苏维埃政府还设立财政处，秘书处和红军编导处；粮食队、救伤队、宣传队、交通队和运输队。工农红军指挥部亦设在公安局内，叶挺任工农红军总指挥、叶剑英任副总指挥。中共广东省委军委负责人聂荣臻、黄锦辉亦在此协助指挥战斗。
上午7时，广州苏维埃政府举行第一次会议，通过一切政权属于工农兵，实行八小时工作制等10项决议。会后，发表《广州苏维埃政府宣言》，《苏维埃政府告民众》、《广州苏维埃追悼死难烈士宣言》。苏维埃政府编印《红旗》日报，并出版了《红旗》号外。当起义爆发时，张发奎、黄琪翔、陈公博先后只身仓皇逃到珠江南岸的海幢寺第5军军部，与军长李福林策划调兵镇压起义。尔后，张发奎、黄琪翔乘宝壁号军舰赴肇庆，转江门调兵，先后调第5军驻韶关的陆满团和周定宽团，驻佛山的两个营，东江的第25师，西江的第12师、第26师第78团，南路的教导第1师的两个团回广州。反动的广东机器总工会亦组织敢死队，在市内各处袭击起义军。
11日薄暮，红军清除西城敌军据点，击退以保护日侨为借口强行登陆的日本海军陆战队。
晚12时，起义指挥部召开军事会议。叶挺在会上分析了形势，指出在敌强我弱、敌众我寡的情况下，不宜在广州这样的大城市坚守下去，主张在敌军大举反扑前把起义队伍撤出广州，转入海陆丰去开展长期的革命斗争。纽曼反对退却，认为叶挺的主张是想去“做土匪”。而张太雷不懂军事只得听国际代表的意见。会议决定次日的作战部署是先肃清长堤敌军，后进攻河南的第5军。
12月12日晨，李福林的第5军两个团，由“江大”、“宝壁”两舰掩护渡江，分两路进攻，一路攻东堤，一路攻西濠口。在韶关的周定宽团和陆满团于午后赶到，即增援莫雄团的第3营，猛扑城北制高点观音山。一股敌军突破观音山起义军阵地，绕道到了吉祥路，迫近起义指挥部。叶挺和叶剑英临危不惧，在起义指挥部门前指挥教导团战士和工人反击，打退敌军，尔后又派徐向前率工人赤卫队增援观音山起义军。同日，各国驻粤领事团在沙面举行会议，调英兵2000人、法兵400人、日兵300人驻守沙面，由英舰摩轩号、莫丽翁号，美舰沙克明号和日舰宇治号，掩护国民党军队渡江。是日中午，广东人民拥护苏维埃大会在丰宁路西瓜园举行。张太雷及各界代表演说后，大会通过了广州苏维埃政府委员名单、政纲以及致共产国际电。午后，张太雷因偕国际代表乘车到前线指挥作战，途中遇敌人袭击，中弹牺牲，使广州起义骤失指挥重心。黄昏，叶挺、聂荣臻在财政厅房顶观察战况，鉴于敌军已包围广州，决定立即组织撤退。此时，市内部分地区已开始巷战，敌我战线犬牙交错，起义军的指挥系统已乱，领导人之间失去联系，结果除教导团等少数部队接到撤退命令突围出去外，大部分工人赤卫队因没有接到命令而留在市区与敌人浴血奋战。
13日晨，黄埔军校特务营在王侃予指挥下，赶往沙河，在瘦狗岭与民团激战，由崔庸健（朝鲜籍）任连长的第2连在战斗中伤亡100多人。
上午8时许，敌人四面包围广州。南线敌军分四路渡过珠江，分别进攻西濠口、黄沙车站、西堤石公祠和东堤。东线敌军进攻大东门。北线敌军分两路进攻，一路攻观音山，一路夺黄沙车站。
反动武装以十数倍于起义军的兵力，又在帝国主义的支持下，压向广州城。未撤离广州的起义部队和工人赤卫队，在群众援助下，同敌人展开了殊死的战斗。留守观音山掩护主力撤退的工人赤卫队员，沉着应战，枪筒打红了，子弹打光了，就用石头、烂砖砸，受伤倒下了还扭住敌人用牙齿咬。工人赤卫队第二联队大队长石喜在与敌人肉搏中用枪托一连砸死两个敌人后，中弹负伤，他忍痛扑向敌人，紧紧掐住敌人的喉咙，同敌人一起滚下山坡，同归于尽。工人赤卫队中队长冯苏在刺死3个敌人以后，身中数弹，仍挺立不倒，最后使尽全身力气将刺刀插进敌人的胸膛。守卫长堤的起义军指战员，也以有我无敌的英雄气概，英勇顽强地抗击敌人的围攻。教导团女兵班战士们，在班长游曦率领下，以大无畏的气慨与敌人拼刺刀，除一人回总部联络外，全部壮烈牺牲。执信中学十几位女同学秘密组织了“飞娥队”参加广州起义，在战斗中有8人不幸被俘。当敌人押解她们路过街道时，她们大声说明自己的身份，高唱《国际歌》，高呼“共产党万岁”的口号，视死如归，最后全部英勇就义。
下午3时，广州苏维埃政府所在地陷落。反动派重占广州后，进行了惨绝人寰的大屠杀，仅14日至19日，就公开屠杀了5700多人。苏联驻穗领事馆5名工作人员惨遭杀害，一批朝鲜和越南的革命者献出了宝贵的生命。
撤出广州的工农红军，分别向东江、北江转移。教导团、警卫团、黄埔特务营和部分工人赤卫队共1000多人，经沙河到花县。
12月16日各部的营连长举行联席会议，决定改编为工农红军第4师，推举叶镛为师长、袁裕为党代表。后经龙门、紫金到达海丰，为创建东江革命根据地作出了贡献。
另一部分起义军向北江退却，突破敌军重重封锁，到了韶关附近与朱德、陈毅率领的部队汇合，以后上了井冈山。还有一批起义者到了香港，后由中共广东省委派到广西，参加了百色起义和龙州起义。
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