安重根、禹德淳、曹道先于10月24日上午9时登上开往宽城子的列车，12时左右到达蔡家沟。这是个小站，车站的候车室和办公室合用，房下的半地下室是俄国人开的小卖店，安重根三人便在小卖店吃住。安顿已毕，安重根让曹道先用俄文写下电文：“到达蔡家沟，有事请通知。”给车站的俄国电报员发往哈尔滨金成白家。然后曹道先又问俄国事务员车次情况，回答说每天列车往返3次，今晚接伊藤的专列从哈尔滨出发，经过这里去宽城子，将于10月26日上午6时经此回哈尔滨。
傍晚，在哈尔滨金成白家的刘东夏回电了：“明日客至。”再晚些时候，接伊藤的专列经过蔡家沟驶向宽城子。安重根发现，刘东夏的消息有误，1909年10月26日早6时，专列将在此经过，即使有人下车，当时天还不太亮，很难辨别哪个是伊藤，此外这里的巡警和宪兵比他想象的还要多。
1909年10月25日晨，安重根便同禹德淳研究对策：在蔡家沟和哈尔滨两地行刺，禹德淳留在原地见机行事。安重根则于中午12时乘火车返回哈尔滨，再次住进金成白家。
当晚，蔡家沟车站来了不少俄国宪兵、巡警，重点监视小卖店，店门被上了锁，禹德淳和曹道先被困在半地下室内。1909年10月26日早6时，载着伊藤的专车鸣笛驶过了蔡家沟站，禹、曹二人只能听着列车呼啸而过，直至被捕。
1909年10月26日一大早，安重根检查了勃朗宁m1900式手枪，将8发弹头刻有十字的凹凸形达姆弹上了膛。他换上了旧西服外套，戴上鸭舌帽，把手枪放在右兜。上午7时，安重根坐马车来到哈尔滨站。俄国官兵忙着做欢迎准备，同时也加强了警备。戒备虽严，可安重根还是随着日本的欢迎队伍混入了候车室，这是因为日本驻哈尔滨总领事川上俊彦告诉俄方，只对欧洲人、中国人查看通行证，日本人则一律放行。在俄国人眼里，安重根外貌装束与日本人无异。在候车室里有个小茶馆，安重根就坐在那里等待。
9时整，专列驶入站台。俄国财政大臣科科夫佐夫登上列车，与伊藤博文寒暄，20分钟后，科科夫佐夫对伊藤说：“稍后有宴席款待公爵。如蒙阁下能检阅我的仪仗队，我将十分荣幸。”伊藤博文说：“能在哈尔滨一睹贵国军队的威仪，非常高兴。”这时日本侨民舞动太阳旗大喊“欢迎”，俄国军乐队奏响了乐曲，伊藤已走下车来，在众人陪同下开始检阅。
安重根此时起身走进站台，站在俄国仪仗队后面。人们的眼睛都注视着伊藤，只见他按顺序检阅俄国军乐队、仪仗队、各国领事团、中国仪仗队、日本欢迎队伍。安重根断定那个身材短小、黄面白发的老人就是伊藤博
文，心中不禁怒火中烧：“强夺邻邦、残害人命者，竟如此嚣张，肆无忌惮！”9时30分，检阅完毕，伊藤等人折返，距安重根5米左右，将要走过去时，安重根闪电般地掏出手枪，在敬持枪礼的俄国士兵的空档间，向伊藤射出了三发子弹。安重根怕打错了人，又向跟随伊藤的几个日本人开了四枪，这几个日本人是南满铁路总裁中村是公，但子弹擦在裤子上，没伤及皮肉；日本驻哈尔滨总领事川上俊彦、伊藤随行秘书森泰二郎、南满铁路理事田中清次郎，这3人分别伤了右臂、腹部和左腿。全场顷刻大乱。
这时，俄国宪兵冲了过来，安重根抛掉手枪，用俄语高呼三声：“高丽亚乌拉！（Корея！Ура！）”（韩国万岁），然后从容被捕。伊藤博文身中三弹，被科科夫佐夫和南满铁路总裁中村扶上了专列。安重根射向伊藤的三发子弹分别命中了左肺、左腰和腹部，随行的医生及赶来的俄日医生全力抢救，可内脏出血太多，伊藤博文骂了声“马鹿”之后，还是于上午10时死去了。上午11时40分，俄国专列载着伊藤的尸体驶向大连。安重根则被带到火车站内的俄国宪兵派出所，简单审讯后，日方便来要人。晚上9时许，安重根被移交到秦家岗义州街27号（今南岗区花园街97号）的日本驻哈尔滨总领事馆，关在地下室里。俄当局下令逮捕哈尔滨周围所有可疑的韩国人。安重根刺死伊藤的2个小时后，禹德淳、曹道先在蔡家沟车站被捕。在哈尔滨被抓的有刘东夏、金衡在（哈尔滨东兴韩国学校教员，同时也负责《大东共报》哈尔滨支局的工作）等13人，金成白虽拥有俄籍而没遭逮捕，也受到了问讯。
1909年10月26日，安重根被俄国移交给日本，监禁于日本驻哈尔滨总领事馆。
1910年3月26日，安重根被日本关东都督府地方法院执行绞刑。
