在中国近现代史上，皇姑屯站名气很大，主要缘于1928年发生的“皇姑屯事件”，张作霖乘坐的列车被日本人炸毁于车站附近的三洞桥处。在沈阳城的西北侧，有两条铁路相交于一座立交桥，桥上是南满铁路，桥下是京奉铁路。南满铁路从哈尔滨到大连，当时由日本关东军控制。日俄战争结束后，俄军战败，日本从俄国人手里夺得了南满铁路的经营权。京奉铁路从沈阳到北京，当时由张作霖的东北军控制。这两条铁路在皇姑屯火车站东侧不远处的三洞桥相交叉。

“皇姑屯事件”中，除黑龙江督军吴俊升当场死亡，张作霖受重伤，于6月4日上午9时30分不治而亡之外，还有18人被炸死，53人被炸伤，死伤达73人。日本为掩盖真相，诬指系 “南方便衣队员”所为。直至1946年7月，“远东国际法庭”开庭审判日本战犯时，日本前田中内阁海军大臣冈田启介出庭作证，供认张作霖被炸是关东军所为。

身在兰州的张学良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“奉天”的沈阳。回到沈阳后，张学良才得知父亲的死讯。为保国家大业，张学良强忍悲痛，模仿父亲的笔迹签发命令。等到把一切相关事宜都安排好了，东北地方政府才对外宣布张作霖的死讯。从此以后，为了怀念死去的父亲，铭记杀父之仇，张作霖的忌日便成了张学良的“生日”。

关东军谋杀张作霖后，当时的日本首相田中义一很失望。关东军既然杀死了张作霖，等于逼迫整个奉系反日，因此除了强占东北外，已无他路可走。这件公案在日本政府中引起了极大的争论，前后拖了一年多，却屈于少壮军人的恐吓，最后以“张案经过周密的调查，发现关东军并未牵涉在内”的含糊语句结案。政府对军队控制的失败，反而使日本在军国主义道路上越走越远。