在中國近現代史上，皇姑屯站名氣很大，主要緣於1928年發生的“皇姑屯事件”，張作霖乘坐的列車被日本人炸燬於車站附近的三洞橋處。在瀋陽城的西北側，有兩條鐵路相交於一座立交橋，橋上是南滿鐵路，橋下是京奉鐵路。南滿鐵路從哈爾濱到大連，當時由日本關東軍控制。日俄戰爭結束後，俄軍戰敗，日本從俄國人手裏奪得了南滿鐵路的經營權。京奉鐵路從瀋陽到北京，當時由張作霖的東北軍控制。這兩條鐵路在皇姑屯火車站東側不遠處的三洞橋相交叉。
“皇姑屯事件”中，除黑龍江督軍吳俊升當場死亡，張作霖受重傷，於6月4日上午9時30分不治而亡之外，還有18人被炸死，53人被炸傷，死傷達73人。日本為掩蓋真相，誣指系 “南方便衣隊員”所為。直至1946年7月，“遠東國際法庭”開庭審判日本戰犯時，日本前田中內閣海軍大臣岡田啟介出庭作證，供認張作霖被炸是關東軍所為。
身在蘭州的張學良得知關東軍已開始祕密調動，打算渾水摸魚，趁亂佔領瀋陽。為防不測，他化裝成一個伙伕，跟隨部隊祕密趕回了當時稱為“奉天”的瀋陽。回到瀋陽後，張學良才得知父親的死訊。為保國家大業，張學良強忍悲痛，模仿父親的筆跡簽發命令。等到把一切相關事宜都安排好了，東北地方政府才對外宣佈張作霖的死訊。從此以後，為了懷念死去的父親，銘記殺父之仇，張作霖的忌日便成了張學良的“生日”。
關東軍謀殺張作霖後，當時的日本首相田中義一很失望。關東軍既然殺死了張作霖，等於逼迫整個奉系反日，因此除了強佔東北外，已無他路可走。這件公案在日本政府中引起了極大的爭論，前後拖了一年多，卻屈於少壯軍人的恐嚇，最後以“張案經過周密的調查，發現關東軍並未牽涉在內”的含糊語句結案。政府對軍隊控制的失敗，反而使日本在軍國主義道路上越走越遠。
