6月3日凌晨1时，张大帅离北京，4日晨5时30分张大帅专车进入奉天皇姑屯，南满路与京奉路交叉路桥下时，轰然一声巨响，吊桥桥板塌下，刚好压在第三、四、五节车厢上。
吊桥桥板分为3节，支以石柱，柱外包以钢骨水泥厚6尺，所以如果不是特殊的爆炸物，不可能发挥如此巨大的破坏力，同时火车通过桥下，若非用电流计算时间，亦不可能如此准确。
火车被炸后，现场尸骸累累，惨不忍睹，张大帅重伤，其他车厢均系随行人员，见张出事，乃迅速抢救，将交道口出事地点警戒，不准人接触现场，并用汽车送张大帅返奉天。
张因伤重，于上午10时去世，享年55岁，但这个消息被封锁，外界完全不知。
根据日本投降后所泄露的各种资料，关于张大帅被暗杀经过，确实为日本关东军所策划及组织。 当时关东军的司令官是村冈长太郎中将，关东军的重要将领认为张大帅是日本控制东北的最大障碍，如果不除掉张大帅，则日本在东北的阻力非常之大，所以村冈乃亲自主持暗杀张大帅。
最初村冈曾秘密派遣日本驻哈尔滨武官竹下义晴到北京去执行，但被河本大作参谋窥破，认为北京耳目众多，暗杀工作不易掩匿，所以改在张大帅回返东北时发动，即由河本担任行动总指挥，阴谋决定日期是在5月31日后，暗杀地点本拟在京奉路巨流河的路桥，后因这一地区中国军警监视甚严，没有从容布置的机会，因此河本才选定皇姑屯南满路的吊桥为下手场所。
河本还想好了掩饰责任的办法，先由浪人安达隆盛觅得中国失业军人刘戴明，再由他找到售卖吗啡的3名乞丐伪冒凶手，于6月3日深夜带往南满路附属地一风吕浴室洗澡换衣，由日兵押到皇姑屯吊桥下用刺刀杀死。
三人中有一王姓乞丐在洗澡时乘机逃脱，张大帅被炸后，该王姓乞丐即向奉军报告，说出日方所指两具凶手死尸即两华丐尸体，一风吕浴室主人曾往看尸体，亦向奉天日本宪兵队证实是曾在其浴室洗澡之乞丐。
事前河本曾付刘戴明定金1000日元，事后则不认账。日本政界元老西园寺深恐刘戴明被少帅逮捕，泄露了这幕丑事，所以将刘戴明送至大连，助其开设烟馆。
在北京的少帅闻讯后，化装成一个伙夫，搭乘火车由北京回奉天，在他尚未返抵奉天时，奉方只发表公报宣布张大帅重伤，不公布死讯。把张的头部以绷带包扎起来，仅露眼、鼻、口，躺在床上，照样摆了鸦片炉具和水果。日本人来访者请其在卧室外遥望，使日本人信以为真。
张大帅的遗嘱，签名则由少帅代签，因少帅能摹仿大帅签名完全可以乱真，所以少帅根据这道“伪造文书”，就任奉军代理统帅，然后调嫡系部队星夜返沈，使关东军再无可乘之机。
关东军谋杀张大帅后，当时的日本首相田中很失望。关东军既然杀死了张大帅，等于逼迫整个奉系反日，因此除了强占东北外，已无他路可走。
这件公案在日本政府中引起了极大的争论，前后拖了一年多，却屈于少壮军人的恐吓，最后以“张案经过周密的调查，发现关东军并未牵涉在内”的含糊语句结案。政府对军队控制的失败，反而使日本在军国主义道路上越走越远。
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