6月3日晚6時，張作霖離開北京大元帥府，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。
隨行的有靳雲鵬、潘復、何豐林、劉哲、莫惠德、於國翰、閻澤溥、張作霖的六姨太太和三兒子張學曾、日籍顧問町野和儀我等人。
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，他乘坐的80號包車在中間，包車廂後是餐車，前邊是兩節藍鋼車，裡頭坐著潘復、劉哲、莫德惠、於國翰等人。專車前面還有一列壓道車作前衛。
晚上8時，專車從北京車站開出。深夜，列車風馳電掣地開到山海關車站，黑龍江督軍吳俊升專程在這裡迎候。
4日清晨，日本駐奉天總領事林久治郎很早就起了床，登上住房屋頂用望遠鏡朝三洞橋瞭望。
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岩的橋墩被炸開，橋上的鋼軌、橋樑炸得彎彎曲曲，拋上天空，張作霖的專用車廂炸得只剩一個底盤。
吳俊升炸得血肉模糊，頭頂穿入一個大鐵釘，腦漿外溢，當即死亡；
張作霖被炸出三丈多遠，咽喉破裂；
日籍顧問儀我滿面是血，抱頭大叫；
校尉處長溫守善被埋在碎木下面；
周大文炸破了手，
六姨太太炸掉了腳趾頭；
莫德惠也受了傷。
奉天省長劉尚清聞訊趕到現場組織救護。張作霖被送到瀋陽“大帥府”時已奄奄一息，軍醫官搶救無效，於上午9時30分左右死去。死前張作霖對盧夫人說：“告訴小六子(張學良的乳名)，以國家為重，好好地幹吧！我這個臭皮囊不算什麼。叫小六子快回奉天。”說完就死去了，時年54歲。
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