距離奉天城很近了，日本人再肆無忌憚，也不至於會在自己的家門刺殺自己。
此外，還有資料稱，在離開北平時，張作霖曾就日方謀殺他的傳言詢問町野武馬。町野為消除他的疑慮，自願提出和張同行。但是町野等人最終都在天津、山海關等站下車了，只有儀峨一個人留下繼續同行。
為掩蓋真相，河本還派日本浪人安達隆盛收買中國失業軍人劉戴明，“找到售賣嗎啡的三名中國乞丐偽冒兇手”，“於6月3日深夜將三人帶往南滿鐵路附屬地的浴池洗澡，然後換衣，由日兵押至皇姑屯吊橋下刺死”，“口袋裡塞上偽造的北伐軍的信，以混淆視聽。”這三個乞丐中一名姓王的，事先察覺情況不對，中途逃跑了，日本兵沒抓到他。正是他後來向奉軍報告了真相。此外，奉天方面還得知，在爆炸之前，日方把南滿鐵路上將要經過這段鐵道的火車全部停開。
一名英國記者事發後趕到現場調查。距離南滿鐵路三洞橋不足一百碼處有一木材廠，該廠主人說，出事當夜，他親眼看見三洞橋上人影綽綽晃動，日本哨兵未加干涉。又說，一個住在三洞橋附近的日本人，出事前一直手持望遠鏡站在房頂上，目不轉睛地盯著三洞橋，直到炸彈爆炸為止。
1946 年 7 月，東京遠東國際法庭審判日本戰犯時，日本前田中內閣海軍大臣岡田啟介也供認，張作霖被炸確係關東軍所為。
【張作霖雖然沒有走上袁世凱復闢帝制那樣身敗名裂的絕路，甚至主動撤軍關外，卻最終未能逃脫日本的魔掌。綜觀近現代史，透過與日本侵華勢力勾結而發展壯大起來的軍閥和政客，最終大多沒有好下場。】
皇姑屯事件當時，張作霖之子、東北軍的“少帥”張學良在灤州。奉天省長劉尚清獲悉關東軍向奉天大和旅館等處秘密集結了多達一個旅團的兵力，有趁亂使用武力的企圖，深感形勢緊張。為穩定局面，他當機立斷，一面委任奉天警備司令齊恩銘為省城戒嚴司令，一面通知張學良迅速返奉，並下令一部分關內奉軍火速回防。
第二天，省長公署對外宣佈戒嚴，稱張作霖“身受微傷，精神尚好。”又以鎮威上將軍公署名義，電令第18師師長吳泰來暫理黑龍江省督辦一職。
7日，奉天城內的日僑空屋又發生炸彈爆炸事件，日方誣指為南方軍便衣隊所為。當夜，關內奉軍二萬五六千人抵達城內。劉尚清大大鬆了一口氣。
8日，日方秘悉張作霖死訊，但不能確定，派人前去打聽。9日，劉尚清在省署宴請在奉天的日本要人，公開表示願中日兩國繼續親善，勿因無根之言，致生疑慮。
10日，日方又在奉天城內日本人居留地的無人住宅內製造炸彈案六起。第二天，日本駐奉總領事林權助向上將軍公署提出警告，並趁機再次探詢張作霖傷勢。當天，劉尚清致電南京政府，表示願意服從國民政府，改懸青天白日旗，請停止對東三省用兵。【劉尚清臨危不亂，顧全大局，對穩定局勢和張學良順利接班貢獻重大。】
12日，日本陸軍省發表公報，公開宣稱皇姑屯事件系“南方之便衣”所為。16日，萬名日軍在奉天城南舉行大規模野外演習，歸途高唱《南滿是我們的家鄉》。
張學良這一邊，由於不知道張作霖已經去世，多花了幾天時間處理了手頭的事情才往回趕。因得知沿路日本人上車搜查，為防不測，他裝成一個伙伕，在衛士的保護下，跟隨部隊坐平板車秘密返奉，於17日抵達。
劉尚清等隨即讓張學良模仿張作霖筆跡簽發早已準備好的大元帥令，任命張學良代理奉天督辦，萬福麟代理黑龍江督辦。
18日，對外發布張學良由秦皇島返奉訊息，並發表就任奉天軍務督辦宣告。19日午後，張學良派參謀長臧式毅對關東軍司令和參謀長進行禮節性拜訪。
20日，調黑龍江省護理督辦吳泰來任奉軍第三、四方面軍騎兵集團軍軍長，派萬福麟代理黑龍江省督辦。
同日，張學良發表《致奉省各縣父老宣言》：
1。 停止一切軍事行動；2。 與友邦講求外交親睦；3。 整頓軍政，厲行兵農政策；4。 提倡實業，改革政治；5。 制度規章，歸於公決。
見局面已穩，奉天當局於21日下午宣佈張作霖於當天下午去世，並發表了一份由張學良代簽的張作霖遺囑：
餘不幸歸途遇險，今病勢已篤，殆朝暮間人矣。餘自束髮從軍，早自誓以身報國，死生置諸度外，現年五十有四，死亦非夭，惟是救國之志未遂，不免耿耿耳。今以奉天重任，付之學