16日3时，总统府的粤秀楼上已听到敌人出发的号音，于是秘书林直勉、参军林树巍、辎重队长陆志云催促孙中山立即离开。孙中山才化装成医生，出粤秀楼，几经周折，到达珠海海军司令部，旋乘小艇到白鹅潭，登上楚豫舰。
叶举指挥陈家军兵分3路向总统府和粤秀楼发起进攻，震耳欲聋的枪炮声，打破了深夜的宁静。敌人一面用步枪、机关枪、大炮向总统府和粤秀楼狂轰乱射，用煤油烧毁粤秀楼到总统府的栈桥，以断孙中山的退路；一面派兵埋伏于总统府四周民房内，以便孙中山乘车出总统府时，加以狙击，企图置孙中山及总统府警卫队于死地。
50多名总统府警卫队员在团长陈可钰、营长叶挺、薛岳、卫士队队长姚观顺等人的带领下，对敌人的围攻，展开了顽强的反击，多次击退叛军的轮番进攻。上午10时左右，警卫队伤亡过多，被迫放弃粤秀楼。叛军放火焚烧粤秀楼，孙中山的著作手稿及珍贵藏书，都被大火吞没。
警卫队为了吸引敌人的火力，掩护孙中山脱险，同敌人激战，到下午3时，叛军仍然无法攻克总统府。4时，叶举请广州卫戍司令魏邦平派出军使马毓藩与警卫队团长陈可钰讲和。正在谈判间，叛军乘警卫队毫无戒备，不顾信义地冲开总统府前面的两层铁门，一哄而进，大肆抢掠总统府的枪弹、财物。