虽然冯全提前引爆了炸药，也无法改变历史巨大的惯性。张作霖的专车紧急刹车，没想到日本有后续手段。考虑到张作霖生性谨慎多疑，一般人很难摸清他的行踪，而他也躲过多次暗杀。当时的关东军司令村冈长太郎派出大量便衣化装成土匪，埋伏在当时还属于东北军管辖范围以内的京奉铁路附近。
等张作霖等人从专车出来后，埋伏在附近的日军往人群中发射大量迫击炮弹。又抵近用掷弹筒不停发射榴弹，三八大盖不停地精准的射击。虽然随从拼命保护，可日军太多，无济于事。张作霖胸部中了两颗子弹，鲜血不停地流出，死前张作霖对卢夫人说：“告诉小六子，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。
一时间皇姑屯事件震惊世界，众说纷纭。 日本恶人先告状，指责时间是老蒋派的南方便衣队所为。蒋介石勃然大怒，老子好不容易才打的东北军求和，干吗还刺杀他。甚至苏联人也牵扯进来，他们曾经组织反对张作霖控制中东铁路路权的斗争，领导在奉系内部实施策反、颠覆及破坏等工作。斯大林确实下令苏联红军军事情报局 “除掉”中国满洲地区的独裁者、反苏**的北洋政府大元帅张作霖。
为防止日军乘机举动，奉天当局电报张学良迅速返回奉天，并决定对张作霖的死密不发丧，对外发表通电称：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。日方天天派人“慰问求见”，都被“婉言谢绝”。主持家政的五夫人浓妆艳抹，与前来窥探虚实的日本太太们从容周旋。同时，奉天当局下令全城戒严以稳定局势。由于日军不知道张作霖是否毙命，未敢贸然行动。
此时的张学良以上将军团长的身份，率东北军第三，第四方面军还在兰州和蒋介石率领的北伐军对峙。得知关东军已开始秘密调动，打算浑水摸鱼，趁乱占领沈阳。为防不测，他化装成一个伙夫，跟随部队秘密赶回了当时称为“
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