1928年6月4日凌晨5点30分，张作霖乘坐的专列经过京奉、南满铁路交叉处的三孔桥时，火车被预先埋设炸药炸毁，张作霖被炸成重伤，送回沈阳后，于当日死去。因在皇姑屯火车站以东，史称皇姑屯事件。

据中方的现场调查报告载：

“专列共 20 辆。被炸车厢在中部，即第9 — 12 辆。第 9 辆车厢上部及门窗，均被石块、枕木所毁，后部尤重，车身向北倾斜，后左轨道脱轨。车厢内发现男尸一具，查明系参谋长于国翰的车夫。第 10 辆大包车，是张作霖、吴俊升等所乘，车身几乎全被毁坏，仅剩前门框，后部车轮脱落向右倾斜并有火烧痕迹。在这里又发现焦尸一具，查明系山海公司饭厅仆役。第 11 辆是饭车，破坏最重，所有机轮都已损坏，又遭火焚。车前北方侧有女尸一具。第 12 车厢为睡车，前部损坏较重，也遭火焚。“

上述情况证明：凶犯们操纵爆炸时间，十分准确地结束了张作霖的生命。

关于勘验桥洞被炸情况：

轰落铁桥一座、副桥两座，南北两侧护桥石垛都被崩毁。现场证明是用炸药爆破的，从破坏力估量，绝不是用手投掷所可办到的。装置炸药地点，在石质桥座上方或铁桥桥脚与桥座连接处，引爆使用电流。

张作霖的专用车厢炸得只剩一个底盘。吴俊升炸得血肉模糊，头顶穿入一个大铁钉，脑浆外溢，当即死亡；张作霖被炸出三丈多远，咽喉破裂；

奉天省长刘尚清闻讯赶到现场组织救护。张作霖被送到沈阳“大帅府”时已奄奄一息，军医官抢救无效，于上午9时30分左右死去。死前张作霖对卢夫人说：“告诉小六子（张学良的乳名），以国家为重，好好地干吧！我这个臭皮囊不算什么。叫小六子快回沈阳。”说完就死去了，时年54岁。

奉天当局决定对张作霖的死密不发丧，发表通电称：主座“身受微伤，精神尚好”，“省城安谧如常”。大帅府邸依然灯火辉煌，烟霞阵阵。杜医官每日仍按时到府上班，填写病案。厨房每日三餐仍按时送饭进去。家人一律不啼哭，不戴孝。直至张学良潜回沈阳，才于6月21日公布张作霖死讯。

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6月4日上午10点30分，日本陆军部发表“皇姑屯事件”声明，以示清白。

6月12日，日本陆军部用中日两种文字发表 (( 关于老道口现场调查报告》。该报告除公布以上内容相同的调查结果外，质疑爆炸系国民军便衣队所为，并称责任在于中方警戒不严，与日军无关。

7 月 1 日，以田中义一为首的内阁做出决议：日本人与暗杀张作霖无关。但因发案地属日本关东军南满铁路管辖地段，所 以关东军负有守备责任。因此对相关人员给予了行政处分。如，关东军司令官村冈长大郎被编入预备役。关东军参谋长斋藤恒与满洲守备队司令官水野竹三被撤职思过，关东军参谋河本大作等被停职反省。对他们的处分文件上写道：“这只是关东军在警备上的一种疏忽。” 随后，田中首相以“张氏案调查，关东军幸告无罪”为结论，上奏日本人皇。

1932 年，国联派出以英国勋爵李顿为首的专案组专程来华，调查“皇姑屯事件”。但数月后，竟一无所获。李顿的结论是：“张氏遇害之责任，迄今无法判明。惨案内幕仍在雾中。”

据《小矶回忆录》记载，1928年6月16日河本大作从中国东北回到日本东京，对小矶国昭私下吐露了自己是谋杀张作霖的真凶。在河本大作死后出版的回忆录《我杀死了张作霖》中承认杀死了张作霖。

日本关东军参谋、河本大作上校写了《我炸死了张作霖》的自供书，主动坦白所有策划、实行均出自他个人之手。

1946年，远东国际军事法庭审理日本战犯时，就是将皇姑屯事件视为日本侵华的起点。因为张作霖是当时中国的元首，谋杀一国的国家元首理应是违反国际法、是战争罪的行为。根据东京审判记录，田中内阁时期的海相冈田启介的证词表明，张作霖一边接受日军的援助，其实已经在北京向英美示好，因此被日本陆军铲除。原日本陆军中将，原陆军省兵务局局长田中隆吉作证，“1928年6月3日，在南满铁路和京奉线交叉处，河本大佐带领他的手下，爆破了北京开来的列车，张作霖就坐在那辆列车上。第二天，张作霖就死了。”[但是经各方专家长达三年的调研取证，以缺乏可信性和实际证据为由，决定不对此案进行专门立案审理，从而做出结论：所指“案犯” ( 即河本大作本人 ) 不能列为疑犯，所以，“皇姑屯爆炸案”仍为悬案。

近年年还有一种说法:

俄罗斯文人普罗霍洛通过对苏联时代出版的军队领导人回忆录或采访记录，以及对苏联解体后被公开的公文档案等，进行“综合分析”，“几乎可以断定”，“张作霖被炸是苏联情报机构所为”。