Giữa năm 1917, Lương Ngọc Quyến, một thành viên của Việt Nam Quang phục Hội bị Pháp bắt giữ và đưa biệt giam tại nhà lao Thái Nguyên với mức án "Chung thân cấm cố". Tại đây, Đội Cấn và các bạn đồng chí đã có những cuộc tiếp xúc với Lương Ngọc Quyến và được cổ vũ thêm tinh thần cũng như hướng dẫn các biện pháp tổ chức binh biến cướp chính quyền.

Đêm 30 rạng 31 tháng 8 năm 1917, Khởi nghĩa Thái Nguyên bùng nổ. Các binh lính người Việt đã giết chết viên giám binh Pháp tên là Noël, phá nhà tù Thái Nguyên, giải phóng 230 tù nhân. Đội Cấn được cử làm Tư lệnh trưởng, Lương Ngọc Quyến làm Quân sư. Nghĩa quân sau đó triệu tập dân chúng tại Thái Nguyên, tuyên bố Thái Nguyên độc lập, đặt quốc hiệu là Đại Hùng Đế quốc, ra Tuyên ngôn và Lời kêu gọi "Chúng ta hãy mau chóng lợi dụng cơ hội ngàn năm có một, cơ hội thật hiếm có để rửa nhục, để trả thù". Số quân khởi nghĩa lên tới hơn 600 người, gồm các binh lính khố xanh, các tù nhân và một số quần chúng, sử dụng quân kỳ màu vàng đề 4 chữ "Nam binh phục quốc", góc trên bên trái lá cờ có năm ngôi sao đỏ (ngũ tinh liên châu).