1911年12月26日，黄兴、宋教仁赴南京向各省代表会提议政府组织采取总统制。众人讨论后全体赞成，并决议按照《中华民国临时政府组织大纲》隔日选举临时大总统。

12月29日，17省代表会议在南京丁家桥以无记名投票选举临时大总统。孙中山以超过投票总数三分之二以上的得票数，当选为临时大总统。会后由各省代表会临时正副议长汤尔和、王宠惠前往上海迎接孙中山来南京就职。

孙中山在接到各省代表会电告选举结果后，电复道：“竟承选举，何以克当，惟念北方未靖，民国初基，宏济艰难，凡我国民，皆具有责任。诸公不计功能，加文之重大服务，文敢不黾勉从国民之后，当刻日赴宁就职。”

1912年元旦上午11时，孙中山由汤尔和、王宠惠陪同，偕随行人员，乘专车从上海前往南京。沪军都督陈其美等同盟会要人、上海各界代表近万余人在上海车站举行了隆重的欢送仪式。当天下午5时，专车抵达南京下关车站。下关车站聚集了约4万人表示欢迎，街上悬灯结彩，南京炮台鸣炮二十一响致敬。孙中山随后乘马车前往总统府（原两江总督衙门），由黄兴和徐绍桢等迎接入府。

当晚10时，总统府内举行了庄严而朴素的临时大总统受任典礼。受任礼上，孙中山发布了《临时大总统就职宣言书》，提出中华民国临时政府的任务是“尽扫专制之流毒，确定共和，以达革命之宗旨，完国民之志愿”，定国号为“中华民国”，政体为汉、满、蒙、回、藏五族共和。随后发布《通告海陆军将士文》。

2日，孙中山通电各省改用阳历，以1912年1月1日作为中华民国元年元旦。1月3日，各省代表会举行副总统选举，黎元洪以17票当选。