武官建川美次和田中隆吉負責調查火車組織與張作霖啟行時間，同時派出大批暗探在山海關、錦州、新民屯等地佈防。

關於事件發生後的掩飾責任，亦有安排。先由浪人安達隆盛覓得中國失業軍人劉戴明，再找到售賣嗎啡的中國乞丐三名偽冒兇手，於6月3日深夜帶往南滿路附屬地一風呂浴室洗澡換衣，由日兵押到皇姑屯吊橋下用刺刀殺死。三人中有一王姓在洗澡時乘機逃脫，張作霖被炸後，該王姓乞丐即向奉軍報告，說出日方所指兩具兇手死屍即兩華丐屍體，一風呂浴室主人曾往看屍體，亦向瀋陽日本憲兵隊證實是曾在其浴室洗澡之華丐。

劉戴明原系孟恩遠舊部，民八張作霖逐去孟，劉戴明表示此次係為故主復仇，可是實際則為貪得2萬日元的酬勞費。事前河本曾付劉定金1000日元，事後則不認帳。安達陸盛把這件失信事件告訴了他在東京的親戚工藤鐵三郎，工藤把這件事告訴當時的鐵相小川平吉，小川報告了首相田中和元老西園寺。西園寺深恐劉戴明被張學良逮捕，洩露了這幕醜事，所以亟命小川償付酬金，並將劉戴明送至大連，助其開設煙館。

禍首河本自述當時關東軍對於解決張作霖後的繼任人選有張學良和楊宇霆兩派主張。炸車之日河本曾準備了一隊士兵集中南滿附屬地，因事先沒有和關東軍參謀長齋藤少將聯絡，所以被齋藤所解散。事變時關東軍竟日以電話詢問日本駐沈領事館，希望準其出兵維持鐵路附屬地以外的秩序，但被森島領事所拒絕。當天瀋陽日人住宅區曾有浪人投彈一連四次，均因中國方面官吏冷靜應付而未發生不幸事件。

瀋陽軍署於4日午起即和在北京的少帥張學良聯絡，請其火速返沈，而張學良亦已獲悉皇姑屯事變，他當時不過28歲，要應付這樣一個非常艱難而又複雜的情事，也真是不容易。當時因為不知道事變的真實原因，雖然懷疑是日本人在幕後製造，卻還不知下一步行動。日人既然膽敢謀害張作霖，則也不會放過張學良，所以張學良決心遄程返回瀋陽，就不得不採取極其秘密的部署。他化裝成一個伙伕，搭乘火車由北京赴瀋陽，經過南滿路檢查站時，步行繞過，再換乘汽車直駛瀋陽，徑入帥府。在他尚未返抵瀋陽時，奉方要人對張作霖之死秘不宣佈，只發表公報宣佈張大元帥重傷，不公佈死訊。把張的頭部以繃帶包紮起來，僅露眼、鼻、口，躺在床上，照樣擺了鴉片爐具和水果。日人來訪者請其在臥室外遙望，使日人信以為真。

張作霖的遺囑，仿劉備死後的遺詔，簽名則由張學良代簽，因少帥能摹仿老帥簽名，可以亂真。張作霖的遺囑雲：

“餘不幸歸途遇險，今病勢已篤，殆朝暮間人矣。餘自京發從軍，早自誓以身報國，今年五十有六，死已非夭，惟是報國之志未遂，不免耿耿爾。今以奉天重任付之學良，望汝善為料理，延聘賢良，修明內政，以慰父老懸懸之望，更望我袍澤同仁，事事以國家人民為重，戮力同心，精誠團結，餘身雖死，亦瞑目矣。”

張學良根據這道自己“偽造文書”的命令，就任奉軍代理統帥，然後急調嫡系部隊星夜返沈。

張學良同時邀請老一輩奉系大將來帥府共商善後。張作相見到他以後又是難過又是高興，他說：“小六子（張學良的小名）你放心幹好了，我們都會支援你。在公的方面如果我們不服從你的命令，你只管拿軍法來辦我們。可是私底下你還是我的侄兒，如果知道你不好好的幹，我會在沒有人的時候打你的耳光。”張作相在老一輩奉系中是最有份量的，他這一番話等於決定了張學良的繼承權。

6月19日奉天公佈張作霖逝世，由張學良繼任奉天督辦，宣告停止軍事，休養生息，萬福麟被派為黑龍江督辦。

6月24日東三省聯合會通電推舉張作相為東三省保安司令兼吉林司令，張學良為奉天司令，萬福麟為黑龍江司令。

張作相堅不就東三省保安司令，7月4日東三省聯合會乃改舉張學良，張即日宣佈就職。張作霖雖出身綠林，沒有讀過書，可是深知國家民族大義，他不肯作日本傀儡是他致死的最大原因，因張未能執行所謂“廿一條中有關南滿、東蒙古農工業的中日新約”部分。日人雖在北京向袁世凱敲詐成功，但在東北現場，對於張作霖曾經過多年交涉，終未達成所願。吉敦路雖然修成，而東北本身，亦自修瀋海路、四洮路、打虎山路，打通平沈路線（當時叫京奉路），以對付之。至於商租雜居，始終成為懸案。當民國十五六年時期，日本駐奉天總領事吉田茂是著名的日本外交家，某次為中日交涉，曾向張盛氣凌人地說道：“你要真