12月25日，各省代表会派代表专程赴沪欢迎。27日，代表一行即拜谒孙中山。经过数小时会谈，双方就如下问题达成一致：一、选举大总统，不称大元帅。二、袁世凯真能拥护共和，就让位给袁。至于称大总统还是临时大总统，是否大总统就职之日就宣布改用阳历，代表们以事关重大，表示由各省代表会讨论决定。
    12月29日，各省代表会在南京召开全体会议，正式选举临时大总统。会议由汤尔和为主席，王宠惠为副主席，袁希洛为书记，刘之洁为监选员。据会议代表谷钟秀1914年的回忆，当日到会者共17省43人，具体为山西代表景耀月、李素、刘懋赏，陕西代表张蔚森、马步云，江苏代表袁希洛、陈陶遗，安徽代表许冠尧、王竹怀、赵斌，江西代表林森、赵士北、俞应麓、王有兰、汤漪，浙江代表汤尔和、黄群、陈时夏、陈毅、屈映光，福建代表潘祖彝，广东代表王宠惠、邓宪甫，广西代表马君武、章勤士，湖南代表谭人凤、廖名搢、邹代藩，湖北代表马伯援、杨时杰、王正廷、胡瑛、居正，四川代表萧湘、周代本，云南代表吕志伊、段宇清、张一鹏，山东代表谢鸿焘，河南代表李鎜，直隶代表谷钟秀、张铭勋，奉天代表吴景濂。（注：谷钟秀：《中华民国开国史》第49-50页。关于当日出席代表人数，有多种说法，且具体名单出入很大。《湖北革命知之录》录名44人，《辛亥各省代表会议日志》录名49人，1911年12月30日《民立报》及平佚《临时政府成立记》（见中国近代史资料丛刊《辛亥革命》第8册）则谓45人。） 临时大总统候选人为孙中山、黄兴、黎元洪，按选举规定，每省以一票为限，共17票。满投票三分之二以上者当选。选举结果，浙江代表投黄兴，其余代表皆选孙中山。随之各省代表会作出三项决议：一、各省代表具签名书，交正副议长，赴沪欢迎孙中山来宁就职。二、通电各省都督府，请派参议员3 名来宁组织参议院；未到任前，暂由现各省代表1至3人代行参议员职务。三、参议员由各省都督府选派，至各省谘议局所派代表，仍称某省代表，但只得列席参议院。接着两天内又议定：一、由伍廷芳通告唐绍仪选举结果。二、自阴历十一月十三日起改用阳历，以中华民国纪年，称中华民国元年1月1日。三、修正《中华民国临时政府组织大纲》。
    选举结果当天传到上海，孙中山立刻复电各省代表会，表示接受。1912年1月1日，孙中山在各省代表会特派代表的陪同下，偕胡汉民、庄思缄、荷马李等一行数十人乘专列离沪赴宁，当晚在总统府（前两江总督衙门，曾为太平天国天王府）宣誓就职。出席典礼的有各省代表、海陆军代表及黄兴等。
    1月2日，各省代表全体到会，开始代行参议院职权。因汤尔和、王宠惠、景耀月或离或病，改选赵士北、马君武为正副临时议长，并正式通过临时政府组织大纲修正案：原文第一章临时大总统下，加“副总统”三字。原第一条修正为“临时大总统、副总统，由各省代表选举之，以得票满投票总数三分之二以上者为当选。代表投票权每省以一票为限。”原第五条修正为“临时大总统得制定官制、官规，兼任免文武职员。但制定官制、官规暨任命国务各员及外交专使，须得参议院之同意”。原第六条后增列一条为第七条，原第七条及以后各条依次类推。新增第七条为“临时副总统于大总统因故去职时，得升任之。如大总统有故障不能视事时，得受大总统之委托，代行其职权”。（注：《修正中华民国临时政府组织大纲》，中国第二历史档案馆编：《中华民国史档案资料汇编》第2辑，江苏人民出版社1981年版，第5页。）1月3日，再选临时副总统，黎元洪以17票全票当选。在代行参议院职权期间，曾推举王正廷、汤漪、林森负责庶务，马君武、时功玖、欧阳振声负责会议，赵士北、王有兰、潘祖彝负责验凭；先后审议通过中央行政各部及其权限、军需公债章程、议和五大条款及其它政府例行向代表会提出的施政报告和谘询案；议决以五色旗为国旗、参议员不得兼任行政官吏及参议院议事规则，并就有关事项向政府提出质询。
    嗣各省所派参议员陆续抵宁，已达半数，1月28日上午11时， 临时参议院遂于南京劝业场正式开幕。至此，各省代表会任务完成，自行解散。
    各省都督府代表联合会是辛亥革命迅速发展的产物，是酝酿筹建临时中央政府的前奏。它的问世及其艰难历程，反映了革命阵营内部错综复杂的权利之争，但它发挥的积极作用却是不可低估的。辛亥革命从无序变为有序，从分散趋向统一，各省都督府代表联合会功不可没。