1912年1月1日，中华民国南京临时政府成立，黄兴任陆军总长兼任参谋本部总长。袁世凯接任临时大总统之后，临时政府北迁，黄兴任南京留守，主持整编南方各军。后因没有经费，军队哗变，乃取消留守，退居上海。同年8月，同盟会等组织改组为国民党，黄兴任理事。1913年3月，袁世凯派人暗杀国民党代理理事长宋教仁。7月，孙中山兴师讨袁，二次革命爆发。7月14日，黄兴由上海至南京，次日强迫江苏都督程德全宣布独立，并被推为江苏讨袁军总司令。9月，南京被北洋军攻陷。不久讨袁运动失败，黄兴再次逃往日本。1914年6月，孙中山在日本计划将国民党改组为中华革命党。黄兴与孙中山意见不合，不赞成重新组党并且拒绝加入。他于7月乘船离开日本赴美国考察，宣传反袁思想。

上海福开森路393号黄宅灵堂1915年12月15日，袁世凯称帝。黄兴派人促进遇难护国军起义讨伐袁世凯，并在美洲为蔡锷率领的云南讨袁护国军筹措军饷。1916年6月，因孙中山、蔡锷多次电催，他于是由美国赶往日本，为国内反袁斗争筹款购买军械。当月袁世凯忧愤而死。7月4日，黄兴从日本返回上海。

1916年10月31日，由于黄兴长期为革命事业而奔波奋斗，积劳成疾，最终因食道/胃静脉屈张破裂出血（肝门静脉高压所致；根据其死前多次大量吐血以及肝肿大所推测，为肝硬化常见之并发症）在上海去世，时年仅42岁。孙中山亲自主持治丧活动。次年4月15日国葬黄兴于长沙岳麓山云麓峰下小月亮坪。