1928年6月3日晚6時，張作霖離開北京大元帥府，準備回東北，乘坐由奉天迫擊炮廠廠長沙頓駕駛的在英國制的黃色大型鋼板防彈汽車，奔往火車站。
儘管張作霖行前就已經接到部下的密報，說「老道口日軍近來不許人通行」，希望多加防備，他也知道這次遠行很兇險，必須讓知道的人越少越好，所以三次變更啟程時間，以迷惑外界，但他並未料到就這樣還是引來了殺身之禍。
張作霖的專車22節，是清朝慈禧太后用過的「花車」，裝飾非常華麗，5時23分，當張作霖乘坐的專車鑽進京奉（北京至瀋陽）鐵路和南滿（吉林至大連）鐵路交叉處的三洞橋時，日本早已做好埋伏，關東軍大尉東宮鐵男按下電鈕，一聲巨響，三洞橋中間一座花崗巖的橋墩被炸開，橋上的鋼軌、橋梁炸得彎彎曲曲，拋上天空，張作霖的專用車廂炸得只剩一個底盤。張作霖被炸出三丈多遠，咽喉破裂，在被送往大帥府路上就已死亡。
既然保密工作做得這麼好，為什麼還會出事，並且還準確的定位張作霖所乘坐的車廂？難道會有「內奸」？
張學良曾經有一個預定的妻子，也就是當時清朝的十四格格，名金碧輝。這個人物可不簡單，民國元年（1912年）清朝滅亡，善耆欲借日本之力復國，將自己的女兒，也就是清朝的十四格格，顯玗送給川島浪速做養女。顯玗從此更名川島芳子，被送往日本接受軍國主義教育，成年後返回中國，長期為日本做間諜。
她幾次求見張學良都被拒之門外，她就動了歪心思，利用每次勾引了張學良身邊的以為副官，在他那裡得到了張作霖的動身計劃，之後，趕緊通知了日本，使之提前埋伏，在距瀋陽一公裡半的皇姑屯火車站附近的橋洞下放置了三十袋炸藥及一隊衝鋒隊。
而川島芳子也因此立了大功，得到了日本人的重用，連續提拔偽滿洲國「安國軍總司令」、「華北人民自衛軍總司令」等要職，曾先後參與皇姑屯事件、九一八事變、滿洲獨立運動等秘密軍事行動，並親自導演了震驚中外的上海一二八事變和轉移婉容等禍國事件，被稱為「男裝女諜」、「東方女魔」。
民國三十四年（1945年）日軍戰敗投降。民國三十七年（1948年）3月25日，川島芳子被以漢奸罪判處死刑，在北平第一監獄執行槍決，終年41歲。
張作霖死後，日本佔領中國東北地區的陰謀並沒有馬上得逞，日本政府為了掩蓋事實真相，謊稱皇姑屯事件系「南方國民政府便衣隊員」所為。案發之後，日本陸軍省反對公布本案的真相，為了是不影響日本的國家形象。
當年的事發現場，現為瀋陽「三洞橋」，鐵路交叉處曾立有「張作霖被炸處」的標誌牌，後被臥式黑色大理石碑取代，碑上鐫刻「皇姑屯事件發生地」。2004年，張作霖被炸處及石碑列入瀋陽市第一批不可移動文物名錄。