張作霖的專列是在瀋陽市，市內的三洞橋被炸的。根據過去簽署的鐵路條約，南滿鐵路兩側各五百米以內，不許中國軍警進入的。瀋陽的三洞橋就是這樣的地方，上橋走的鐵路就是南滿鐵路（也就是今天的大連到哈爾濱的鐵路）橋下走的鐵路叫京奉鐵路（今天的北京到瀋陽的鐵路）張作霖乘坐的火車由北京來往瀋陽（當時叫奉天）在到達目的地（瀋陽老北站）最後一公里的時候，途徑三洞橋了。這個是爆炸行刺的最後時機，關東軍當機立斷果斷的炸燬了張作霖乘坐的火車，將張作霖當場炸成重傷於當天返回瀋陽大帥府後不久死亡了。

河本大作，日本關東軍高階參謀，是一個極端的法西斯主義者，決定用武力解決掉張作霖。為達目的，河本大作為張作霖佈下必死陣，他的方案是炸燬張作霖回奉的專列火車，炸死張作霖。

河本大作考察了許多鐵路地段，最後選擇了皇姑屯。皇姑屯是個交叉路口，是張作霖回奉的必經之處，恰好也是日本關東軍的守備之地。

河本大作佈置得非常周密，鐵軌左右都安裝了炸藥，分別裝在30 個麻袋裡，偽裝成護路的沙袋。為了確保刺殺行動萬無一失，河本大作還在鐵軌上弄了些手腳，並且準備了刺刀隊，一旦爆炸失敗，刺刀隊就衝上去趁亂殺死張作霖。

河本大作認為這樣的安排是天衣無縫了，卻被張作霖的手下意外發現，馬上給張作霖發了電報，上面說：日本鐵路守備隊封鎖了皇姑屯交通口一帶，構築工事，情況異常，請大帥慎行。

看到這封電報後，張作霖考慮放棄火車，改坐汽車，但汽車到奉天有數天的行程，並且有的路段凹凸不平，有的地段並沒有通汽車。張作霖再三考慮，還是決定坐火車，只是張作霖沒有按原計劃出發。原定出發日期是1928 年6月1日，但那天張作霖並沒有上車，臨時下密令更改行程，但專列依然開往奉天。張作霖在車上安排了五姨太和幾個僕人，用來擾亂日本人的視線。

但是，無論張作霖如何更改出行日期，他的一舉一動都在河本大作的掌控之中。據河本大作口述，他在張作霖身邊安插了兩個線人。6月1日當晚，線人就把張作霖的動身日期和車廂號都密報給了河本大作。

6月3日晚，張作霖坐上專列前往奉天。6月4日5時，火車駛到皇姑屯的時候，日本人引爆了早已裝好的炸藥。只聽一聲巨響，沖天火光閃過後，張作霖所乘的車廂已被炸翻在鐵路旁，黑煙四起。張作霖身受重傷，在被救回大帥府幾個小時後，不治身亡，享年54 歲。