這時馬蕙田帶著一些人，突然闖進吳祿貞辦公室，口稱“祝賀大人高升山西巡撫，向大人賀喜”，卻隨手拔出手槍連連射擊，吳祿貞隨即倒在血泊中。
馬蕙田遂割下吳祿貞首級去邀功請賞了。辦公室案上灤州張紹曾的來電“我軍整裝待發，請與山西義軍前來會師”和吳祿貞的複電“願率燕晉子弟一萬八千人以從”墨跡尚未幹。
參謀長張世膺和副官周維楨同時遇難。
吳祿貞被害後，第六鎮司令部頓時大亂。
臨時住在離車站不遠大石橋東側晉陽客棧的孔庚被槍聲驚醒，換了便衣要到司令部去，但此時司令部已戒嚴，通往車站的大石橋上有第六鎮北洋舊部派人把守。孔庚返回客棧，等到天明後，趕到車站，見吳祿貞和周維楨的屍體倒在辦公室的地上，用毛毯遮掩，吳的屍體無頭。
何遂、孔庚等隨同山西革命軍占領吳祿貞的辦公室，發現馬步周等人已經失蹤。何遂和山西革命軍把吳祿貞的屍體運往娘子關，為吳祿貞做了一個木製的腦殼入殮，草草埋葬。而趕到石家莊赴約的山西義軍先頭部隊，將第六鎮的輜重物資裝上火車，撤回山西，並拆毀鐵路十餘裏。
一代革命誌士、反清鬥士吳祿貞，在革命起義的最後關頭，大意失荊州，丟了自己和同誌的性命，也給華北革命鬥爭帶來巨大損失。
吳祿貞被殺一案，是石家莊肇興以來第一件影響全國的重大事件。當時全國的報刊紛紛登載：“吳祿貞血灑石家莊。”
驚聞噩耗，哪位偉人赴石哀悼英雄？
叛變革命，馬步周將怎樣終結性命？
眾說紛紜，誰是暗殺行動幕後真凶？
1912年1月1日，以孫中山為首的南京臨時政府成立後，下令吳祿貞以陸軍大將軍例賜恤，追贈吳祿貞的親密戰友、同時遇難的張世膺為陸軍少將銜，周維楨為陸軍大都尉銜。3月14日，黃興主持在上海張園舉行的追悼吳祿貞的活動，孫中山先生親撰祭文。
1913年11月7日，吳祿貞烈士遇難二周年之際，石家莊人民和山西人民在吳祿貞犧牲的正太車站北邊擇地修建了吳公祠和陵園，將吳祿貞遺體由娘子關遷葬於此，並將同時遇難的張世膺和周維楨的遺體，安葬在吳祿貞墓的兩側。南京臨時大總統孫中山特派專使前來祭悼。可惜這處重要的愛國主義遺址，在“文革”中被拆毀。
1982年，三烈士墓遷建於石家莊市長安公園。4月12日，吳祿貞的子女和親屬從國內外趕到石家莊，參加了石家莊各界群眾代表舉行的落成掃墓儀式。
那麼，刺殺吳祿貞的馬步周下場如何？這人是個好色之徒，他殺死吳祿貞後，得到一大筆錢，就為一個相好的妓女贖身。清朝滅亡後，袁世凱對馬步周刺殺吳祿貞的罪行沒有追究。馬步周逍遙混世，後來癱瘓而死。
對於馬步周背後的黑手究竟是誰？後世有多種說法，有的認為是清政府所為，有人認為是袁世凱。當然也有人認為清政府和袁世凱利益一致，是雙方一起決定殺害吳祿貞。
還有一種說法就是吳祿貞結了私仇，是周符麟等人報複殺害了他。也有人認為是第六鎮的一些北洋的中老年將領對吳祿貞不滿而借機收買馬步周，殺害了吳祿貞。
根據吳祿貞的參謀何遂回憶，應該是袁世凱受清政府旨意，派周符麟收買馬步周刺殺吳祿貞。因為何遂不僅是吳祿貞喋血石家莊的見證者，而且他經曆了清朝、民國、北洋，一直到新中國成立後仍健在，有足夠的時間回憶、調查這一事件，他的說法應該可信。
這正是：
辛亥革命起風雲，一代英雄吳祿貞。
燕晉聯軍舉義旗，喋血正太留英魂。