参加起义
宣统二年(1910年)春，新军起义失败。同年十一月，孙中山在庇能(槟榔屿)召开军事会议，决定以新军为主力，在广州再发动一次大规模的武装起义。会后，胡抱着“誓死必得款相助”的决心，全力以赴地投入筹款工作。这次筹款历时三个多月，奔波于马来亚、越南、泰国之间，倍受辛劳。宣统三年(1911年)二月初，回到香港参加统筹部工作，负责秘书科工作。四月二十七日，黄兴在广州发动起义。次日晨，胡和赵声等人由香港赶到广州，起义已失败，胡立即返回香港，后往南洋、西贡等地活动。此间，胡情绪十分低落，并开始极力赞成从前曾坚决反对过的暗杀之举，认为：“此不止为复仇计，亦为寒敌之胆而张吾军。”
武昌起义的消息传到西贡后，胡汉民的低落情绪为之一振，立即率领一批要求从军的青年华侨急赴香港。十一月九日广东宣布独立，胡被推为都督。1912年一月一日，中华民国南京临时政府成立后，任总统府秘书长。在就任秘书长期间，胡一丝不苟，兢兢业业地工作，办事作风果断明快，对腐败分子“不稍宽假”。但在“让位”袁世凯问题上，胡力主“让位”，且“力挽先生之意于内”，对孙中山的决策产生了消极的影响。孙中山辞去临时大总统后，胡回广州复任广东都督。八月，同盟会改组为国民党后，胡任广东支部长。1913年三月的“宋教仁案”，是袁世凯向国民党人进攻的信号。孙中山倡议起兵讨袁，胡表示反对，主张法律解决。孙中山电促广东独立，胡“以时机未至拒之”。六月十四日，袁世凯免去胡广东都督兼民政总长职，调为西藏宣抚使。不久，胡通电辞职。胡政治上受挫后，意志很消沉，声称从今以后将“与叶夏声组织报馆，决不再入政界，以受此无价值之毁誉也”。
“二次革命”失败后，胡汉民追随孙中山从上海乘船流亡日本。
广东都督
1912年元旦，孙中山任中华民国临时大总统。胡汉民
作为总统府秘书长，仅34岁。章太炎说：“临时政府成立以来，宪法未定，内阁既不设总理，总统府秘书官长，用真宰相矣。”他与孙中山同居一室，夜以继日地工作，人有“第二总统”之称。是年四月，南京临时政府结束，随孙中山回到17年未有踏足的广州。欢迎群众，万人空巷。这次应孙中山之请，他出任了广东都督兼民政长，根据孙中山“造成一模范省”的指示建设广东。
1924年十一月，孙中山决意北上，让胡汉民代行其大元帅职权，可见他对胡汉民是愈来愈信任。
哲学研究
1919年后，胡专心在上海创办《建设》杂志。1919年九月至1920年七月，胡在《建设》杂志上共发表了10篇文章，致力于对唯物史观的研究和宣传。为了帮助读者了解唯物史观的基本内容，他从马克思、恩格斯著作中摘译出有关论述，写成了《唯物史观批评之批评》。胡在该文中对唯物史观的意义和阶级属性作了正确的论述。胡称赞唯物史观道：“因为这个学说出而社会学、经济学、历史学、社会主义，同时有绝大的改革，差不多划一个新纪元。”胡在介绍唯物史观的基本观点时，还驳斥了西方资产阶级文人及伯恩施坦等修正主义者对马克思主义的唯物史观的种种非难。
胡不仅停留在宣传唯物史观的层面上，而且用它作为基本方法，对中国的哲学史、道德伦理、家庭婚姻进行分析和批判，得出了许多精辟的见解，在当时产生了积极的社会意义。
