一、辛亥革命后更名为汉阳兵工厂
1912年，中华民国宣告成立。伊始，黎元洪初任命曹国勋为总办一职，而后由萧佐汉继任。至七月，职位又改由刘庆恩担任。刘庆恩毕业于东京帝国大学，在留日期间，他毅然加入了同盟会。归国之后，他先是投身于湖北兵工厂的工作，紧接着前往德国克虏伯兵工厂，展开了为期两年的学习与考察。从1912年7月走马上任，一直到1920年8月请辞职务，刘庆恩在这期间对兵工厂的管理前后长达约八年之久。
民国初年，北洋政府陆军部和财政部拨款65万元修复整理工厂。工厂进行了恢复和扩充，进行了厂房修理、分厂扩建和增添设备等工作，工厂有了一定的发展。工厂设总理1名，负责工厂人事及制造任务；协理1名，协助总理管理人事及制造等事务（不久，总理又改称总办，协理改称会办）。工厂逐步建立了职能管理部门，设置了总务课、秘书课、统计课、会计课、庶务课、采办课、物料课、检查处、计划制图处、弹药库及稽查、消防、医务等机构。生产单位有枪厂、炮厂、炮架厂、枪弹厂、炮弹厂、铸弹厂、铜壳厂、机器厂、翻砂厂、打铁厂、打铜厂、镀镍厂、木样厂、锅炉厂等15个分厂。
1912年10月，工厂全面复工，工厂启用“中华民国鄂军兵工厂关防”印章，改由鄂督军府管辖。同年，钢药厂分离，独自成厂，任沈凤铭为湖北钢药厂总办。
1913年，陆军部筹议收管工厂，并筹拨白银200万两进行扩充。工厂即一面向丹麦温佐尔公司订购制造枪弹、炮弹等机器设备，一面进行勘地扩建，陆续添建炮弹、铸钢、子弹、翻砂4厂。工厂仿造了德国克虏伯式75毫米山炮。
1914年，工厂与汉口德国机械洋行订立合同，又购买了部分机器设备。同年，工厂正式由北洋政府陆军部直接管辖，更名为汉阳兵工厂，开始使用“陆军部汉阳兵工厂关防”印章。定每日生产步枪20支、枪弹30000粒。
1915年，汉阳兵工厂又改由北京政府督办兵工事务处管辖。工厂占地面积达18万多平方米，有厂房和辅房1440多间。定每日生产步枪50支、枪弹65000粒，并试造了马克沁机关枪。督办处决定大力扩充汉阳兵工厂，拟将上海制造局撤并到汉阳兵工厂。后来，袁世凯担心汉阳兵工厂落入南方革命党人手中，遂取消迁并的计划，而另择河南巩县成立汉阳兵工厂分厂，并将汉阳兵工厂制造炮弹的机器及技术骨干调往巩县，后来此厂自成独立工厂。当年，发生了鄂造步枪在实弹射击时不时炸坏枪的事件。事后惩处负责人员，汉阳兵工厂会办敖廷铨受到记大过一次、减薪为七成的处分。总办刘庆恩当时在美国督造由Pratt & Witney生产的车床，因此并未受累。
1916年9月，陆军部军械司在南苑试放汉阳兵工厂总办刘庆恩所制造的新枪，名为自装枪。
1917年初，汉阳钢药厂并入汉阳兵工厂，为汉阳兵工厂分厂。工厂造枪、炮、弹的机器共有1158部，其中：枪厂有640部，炮厂有94部，炮架厂有101部，枪弹厂有179部，还有新购未安装的制弹机96部。另外，机器厂、翻砂厂还有一些机器设备。同年，督办处撤销，工厂又归陆军部管辖。同年工厂新建炮弹厂。因沪厂(上海兵工厂)停造步枪，汉阳兵工厂又接收了沪厂造枪机器138部和制药机器18部，工厂产量增加到每日可造一百支步枪。同年，北洋政府创立了兵工专门学校，设校址于汉阳兵工厂，定名为陆军部汉阳兵工专门学校。这是全国第一所培养兵工专门技术人才的兵工技术专科学校。至1922年，因教育经费短缺，该校即行停办。
1918年，工厂仿造了德国克虏伯式112毫米炮以及空中开花子母弹。1920年冬季，机关枪厂于工厂内顺利建成。同年9月，杨文恺接任总办一职，奉命为各省代造订购的械弹与步枪。在此期间，工厂生产效率逐步提升，步枪日产量增至120支，若加开夜工，还可额外产出80支，如此一来，一日便能生产200支步枪。枪弹的月产量也大幅增长，达到了200万粒。
1921年，工厂着手仿造美国白朗林式重机枪（Browning M1917），并于10月10日实现量产，该机枪被命名为三十节式重机枪。因其枪管水冷器全系黄铜打造，故而在当时被大家称作“老黄牛”。起初，每月产量为12挺，随着技术的不断改进与熟练，后续增加至每月25挺。同时，工厂还成功仿造了日本大正6年式75毫米山炮，并且开始制造自来得手枪，此手枪仿制自M1896年毛瑟手枪。初造时，月产量为60支，后来提升至260支，自来得手枪也就是大家所熟知的驳壳枪。
1922年，工厂开启了黄色炸药的生产。到了1924年，工厂开始生产梯恩梯炸药，同时着手制造75毫米迫击炮。这一年，工厂成立电机课，积极修建发电厂，装设了两座交流发电机，工程于年底顺利完工。在这之前，工厂仅有一座直流发电机。当时，工厂名义上隶属中央，然而实际控制权却在地方军阀手中。
1925年1月，工厂将全厂动力由蒸汽转换为交流电，电机课也随之改称为动力厂。4月，直奉战争结束后，刘文明出任总办。年底，杜节文被改派为总办。同一时期，汉阳兵工专门学校恢复招生，此次计划招生五十名，学生习业期限为四年。
1912年至1926年的北洋政府时期，当局对工厂进行了扩充。在这一过程中，工厂逐渐得以恢复，并取得了一定程度的发展。老产品的生产能力得到提升，步枪日产量达到100支，枪弹日产量达到7万发，火炮日产量为1门。此外，工厂还陆续增添了手枪、机关枪、迫击炮、飞机炸弹等新产品的生产项目。在这段时间里，工厂累计生产步枪、马枪54.4万多支、火炮1129门、枪弹2.9亿多发、炮弹12.2万多发，同时也生产了数量可观的手枪、机关枪以及飞机炸弹等军械物资。
二、国民政府北伐后的调整与发展
1926年8月，北伐军叶挺独立团攻克武汉外围屏障汀泗桥与贺胜桥，歼灭了军阀吴佩孚的主力，直逼武汉市区。吴佩孚急令汉阳兵工厂加紧赶制军火。为了支援北伐军，工人们成立了罢工委员会。9月1日，工厂罢工委员会以武汉工人代表大会的名义发表了罢工通电，声讨湖北人民公敌吴佩孚。并宣布实行总罢工。厂方先是威胁迫令工人复工，遭到拒绝后又采取物质引诱，宣称“如能复工，先发一个月工资。”9月5日，工人们在获悉北伐军先头部队将于6日晚到达武汉后，决定6日复工。9月6日晚，工厂拉响了夜班汽笛，工人进厂后，即迅速打开仓库，取出枪支弹药武装起来，协助北伐军先头部队攻克龟山和夺取工厂。9月7日起，全厂工人日夜赶制大批枪支弹药，支援北伐军乘胜前进。
继9月7日攻克汉阳和汉口后，10月10日，北伐军攻克武昌，结束了北洋军阀对汉阳兵工厂的控制。汉阳兵工厂由国民政府军事委员会接管，取消总办制，实行厂长制。先由胡恩光任厂长。后改由邓演存任厂长。汉阳兵工厂的工会和工人纠察队相继成立，对涉及到工人切身利益的事情，由厂工会与厂方交涉。出入厂门搜身检查制度被取消，挂在办公室墙上的皮鞭被摘掉，领班不敢随意打骂工人。工资待遇有了提高，每月工资，学徒由6元增到9元，工匠由12元增到21元。工会还办起了工人子弟学校。工人们为支援北伐加班生产，步枪日产达200支、枪弹7万余发。
1927年7月15日晚，驻汉阳兵工厂的35军和厂方缴了工人纠察队的枪，查封了工会，工人经过斗争取得的政治地位和经济待遇一律被取消。8月2日，全厂举行了大罢工。厂方采取分化政策，宣布工人重新登记，强迫工人复工。后来，又从长沙子弹厂调来500多名工人。这次罢工坚持了半个多月，近千名罢工工人遭到厂方开除。
1928年，国民政府完成北伐。11月成立军政部，下设兵工署，统一管理全国兵工生产。汉阳兵工厂隶属兵工署管辖。兵工署对工厂进行了扩充和整顿，增加了大量的机器设备，并改善管理，改进技术，使工厂有了一定发展。工厂总厂的员工达3710名，其中：职员199名，督领78名，工匠1908名，艺徒618名，长工554名，杂工353名；分厂另有员工845人；机器设备，仅步枪、机枪、枪弹、炮、炮架、炮弹等6厂即1378台。工厂的生产能力及产品品种大幅增长，生产能力达到历史最高水平，日产步枪200支，枪弹15万发，月产机关枪50挺、手枪200支、火炮30门、炮弹5000发、手榴弹2500枚。
1929年，按照兵工署颁布的兵工厂组织条例，工厂对组织机构和人员编制进行了调整。在厂长、副厂长之下，设置总务处及工务处。在这两大处之下又设置课、会、校等19个机构。还在一些课下设置厂、股、队等。工厂的分厂恢复到10个，员工达到4000多名。制造枪、炮、弹的机器设备达到1368部。其中：枪厂721台，机枪厂101台，枪弹厂343台，炮厂和炮弹厂203台。此外，熔铜、轧铜、翻砂、木样、机器、锅炉、打铁、打铜、打铝等厂还各有一些机器设备。当年8月13日，汉阳兵工专门学校第一期毕业，由兵工署长陈仪亲临主持。
1930年，胡毓璋出任汉阳兵工厂厂长。彼时，工厂对88式毛瑟步枪的刺刀进行了改良优化，主要举措为适当增长刺刀刀身，使其在白刃战中能发挥出更为理想的效用，从而更好地适应战场实际需求。
1931年，黄公柱任汉阳兵工厂厂长一职。当年 7月，华中地区持续降下磅礴大雨，致使江汉平原陷入一片汪洋泽国。因洪水肆虐泛滥，赫山长堤不幸被襄水淹没，这场洪灾之严重程度，堪称自清道光年间以来所罕见。7月13日，堤坝决口，赫山分厂瞬间被淹没；紧接着，14日工厂本部也未能幸免，面对汹涌洪水，虽全力抢险，却仍无力回天。工厂职工及其眷属总计二万余人，无奈之下皆沦为灾民。此后，全厂遭受水淹长达两个多月之久。待洪水退去，又因爆发工潮，工厂停产整顿，直至年底才复工。
1932年，钟毓灵开始执掌汉阳兵工厂。在此期间，汉阳兵工厂的钢药厂奉命独立出来，改称汉阳火药厂，直属兵工署管辖。同时，枪弹厂也接到指令，需迁往位于河南省的巩县兵工厂。然而，因巩县兵工厂厂房空间有限，若另行新建厂房，又需耗费大量时间，故而枪弹厂之后又奉命运回原厂。
1932年7月，汉阳兵工专门学校奉兵工署的命令，整体搬迁至南京中华门外的新校址，校名再度变更为“军政部兵工专门学校”，校内设有造兵、制药两个学科。学生毕业后，由兵工署统一分配至各兵工厂及相关机关服务。1937年11月，该校奉命内迁至株洲；1938年1月，又再次接到命令，迁移至重庆。1939年，奉准设立大学部，开设造兵学系、应用化学系两个系，并于同年7月招生100名。到了1948年，该校改制为兵工工程学院。
1933年，郑家俊担任厂长之职。5月，枪弹厂恢复生产，并且每月枪弹产量增加330万粒。同时，工厂将包工制全部改为点工制，工人数量有所减少，生产成本也随之降低了三分之一。据兵工署年度报告显示：汉阳兵工厂该年度制造步枪5800支，重机枪（汉宁，即南京金陵兵工厂，其生产的是1935年按照德国兵工署赠送的MG08图纸所制造的马克沁水冷式重机枪，称为二四式重机枪）共计576挺。
1936年，汉阳兵工厂每日可生产步枪200支、枪弹15万发，每月能够生产机枪52挺、手枪200支、各种火炮30门、炮弹5000发、手榴弹2500枚。同年，汉阳兵工厂的制炮厂移交至兵工署炮兵技术研究处，后改称兵工署炮兵技术研究处汉阳炮厂（此厂后来成为第50工厂忠恕分厂）。