1928年6月4日凌晨5点30分，张作霖乘坐的专列经过京奉、南满铁路交叉处的三洞桥时，火车被日本关东军预埋炸药炸毁，张作霖被炸成重伤，送回沈阳后，于当日死去。
背景
1927年4月，日本田中义一上台后，向张作霖强索铁路权，逼张解决所谓“满蒙悬案”，从而激起了东北人民的反日怒潮。9月4日沈阳两万人示威游行，高呼“打倒田中内阁”。在全国反帝浪潮的冲击下，以及张作霖本人的民族意识，奉系政府未能满足日本在“满蒙”筑路、开矿、设厂、租地、移民等全部要求，并有所抵制，这为日本内阁所不能容忍，日本关东军则断定东北人民的反日游行系张作霖煽动所致，对他恨之入骨。
经过
张作霖离京回东北，日本关东军高级参谋河本大作已经为他布下“必死之阵”，在距沈阳一公里半的皇姑屯火车站附近的桥洞下放置了三十袋炸药及一队冲锋队。尽管张作霖行前曾接到部下的密报，说“老道口日军近来不许人通行”，希望多加防备，张作霖也三次变更启程时间，以迷惑外界，但他并未料到会有此杀身之祸。
1928年6月3日晚6时，张作霖离开北京大元帅府，乘坐由奉天迫击炮厂厂长沙顿驾驶的在英国制的黄色大型钢板防弹汽车，奔往火车站。随行的有靳云鹏、潘复、何丰林、刘哲、莫惠德、于国翰、阎泽溥、张作霖的六姨太太和三儿子张学曾、日籍顾问町野和仪我等人。张作霖的专车22节，是清朝慈禧太后用过的“花车”，装饰非常华丽，他乘坐的80号包车在中间，包车厢后是餐车，前边是两节蓝钢车，里头坐着潘复、刘哲、莫德惠、于国翰等人。专车前面还有一列压道车作前卫。晚上8时，专车从北京车站开出。深夜，列车风驰电掣地开到山海关车站，黑龙江督军吴俊升专程在这里迎候。
1928年6月4日清晨，日本驻奉天总领事林久治郎很早就起了床，登上住房屋顶用望远镜朝三洞桥了望。5时23分，当张作霖乘坐的专车钻进京奉（北京至沈阳）铁路和南满（吉林至大连）铁路交叉处的三洞桥时，日本关东军大尉东宫铁男按下电钮，一声巨响，三洞桥中间一座花岗岩的桥墩被炸开，桥上的钢轨、桥梁炸得弯弯曲曲，抛上天空，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；日籍顾问仪我满面是血，抱头大叫；校尉处长温守善被埋在碎木下面；周大文炸破了手，六姨太太炸掉了脚趾头；莫德惠也受了伤。
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。
炸车后不久，日本人先后制造了奉军军车脱轨事件和沈阳炸弹案，企图引起混乱。6月16日，1万8千余名日军士兵又在沈阳城南演习，竟然唱着“南满是我们家乡”的歌曲，暴露其占领东北的图谋。
为防止日军乘机举动，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。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。直至张学良潜回沈阳，才于6月21日公布张作霖死讯。
影响
张学良主政东北之初，日本人并没有把张学良放在眼里。当时，担任张学良军事顾问的日本特务头子土肥原贤二起草了一份计划，想让张学良在东北称帝，担当日本人统治东北的傀儡。出乎土肥原意料的是，当他把这份精心策划的文件送到张学良面前时，张学良当面质问他：“你让我当什么满洲皇帝，你这是什么意思！”碰了一鼻子灰的土肥原说不出一句话，只好夹起皮包，悻悻而去。随后，张学良要求日军参谋本部将土肥原调走，得到的回答却是：“这个顾问是日本政府派来的，我们没权调动。”心头满是怒火的张学良将军对来人说：“好，你们没权，我没法子。那么我有这个权吧———我不见土肥原！我不跟他谈话！以后土肥原顾问来，我任何时候都不见。”
1928年12月29日，张学良宣布东北易帜，服从国民政府领导。国民政府在形式上完成了统一。当时，在东北有不少日本间谍，但事先对此事却毫无察觉。
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