張作霖抵達皇姑屯前，奉天當局確實做了比較嚴密的防範措施，出動1個步兵團、1個憲兵營，以及鐵路保安隊、警備隊、奉天軍警偵察隊、憲兵、警察騎兵隊和各警察分所，共計數千名軍警，從皇姑屯車站到奉天城裡的帥府沿途密佈崗哨，光是警戒線就有內外2道。
但問題在於，奉天當局佈防的速度還是慢了半拍，而且漏掉了最重要也最致命的地段——位於皇姑屯車站以東約1300米的南滿線、京奉線交叉的三洞橋（因橋下分3洞而得名，南洞下是供行人、車門穿過的皇姑屯大道，北面2個洞通行火車，其中最北側橋洞就是爆炸點）。
奉天當局按計劃開始部署軍警的時間是1928年6月3日午夜，而這個時候，日本關東軍參謀河本大作指派的工兵，早已在三洞橋北側（事先已探知張作霖專列會從北側橋洞通過）的2個花崗岩橋墩上（一說為橋欄與底座連接處），放置了約120公斤TNT炸藥，並埋設好了長達200米的電引線，起爆開關裝在橋上面日本警備隊的一所小房子裡。
也就是說，奉軍進入警戒狀態時，實際上已經晚了。但是，也不能講奉天當局對三洞橋絲毫未加防範——奉天憲兵隊在橋洞東西各300米處地段，安排了由1名隊長、30名憲兵和署名稽查官、警察，或騎馬或步行，往來巡邏。
另外，奉天當局還多次與日本憲兵隊交涉，希望中日共同警戒三洞橋，但都被日方以“有礙日方顏面”“未獲關東軍司令部批准”等理由拒絕。無奈之下，奉天當局只好在橋洞前後加強戒備，包括檢查鐵軌，以防不測，但始終沒有發現裝在橋上的炸藥。
提前裝好炸藥後，日軍守備隊就派出哨兵在橋上日夜嚴格把守，不許任何人靠近。奉天憲兵司令部雖對此有所察覺，並向北平發去警告密電，但是隻要張作霖乘車返奉，就必須要經過三洞橋。換言之，無論奉系如何嚴密防範，恐怕都很難避免張作霖專列被炸的厄運。
另據日方資料和皇姑屯事件親歷者回憶，6月4日拂曉，橋上日軍哨兵偷偷溜回附近的軍營（怕挨炸），而爆炸剛發生，日本兵就跑出來觀察情況，待在其他車廂的帥府衛隊反應迅速，立即向兩側車窗外連開十幾槍，迫使日軍躲避不敢近前。
那麼，120公斤TNT炸藥的爆炸威力又有多大呢？從事發後拍攝的照片可以看出，堅固的花崗岩橋墩（位於北邊）已蕩然無存，另一側橋墩也嚴重受損，上面的鐵橋幾乎全毀（僅殘留3根鐵軌），橋洞兩側電報、電線均被炸斷。
張作霖專列共計20輛車廂，其中4輛被炸燬，張所乘慈禧花車車身幾乎全毀，碎片飛散到鐵路意外幾十米遠，整個車廂僅剩前門及門框側木板，車軸脫落1副，2個車輪被炸歪並有火燒痕跡。張作霖被炸出3丈多遠，左臂被炸斷，剛被救回帥府就嚥氣了，同車死傷的還有黑龍江督軍吳俊生等72人。
日軍安放的炸藥，採用的是“自上而下”的攻頂空爆攻擊方式，而車廂頂部防護通常都比較薄弱。如果換成是地雷爆破，靠著厚重的車廂底盤緩衝、保護，張作霖沒準還能逃過一劫，但“躲得過初一躲不過十五”，日本人除掉他並鯨吞東三省的野心是不會變的。
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