2부 축하식이 시작되자 비가 내리기 시작했다. 단상 위에는 정면에서 바라볼 때 왼편부터 주중총영사 무라이村井, 제9사단장 우에다 겐키치植田謙吉 중장, 상하이파견군사령관 시라카와 요시노리白川義則대장, 해군사령관 노무라 기치사부로野村吉三郞 중장, 주중공사 시게미쓰 마모루重光葵, 거류민단 행정위원장 가와바타 사다쓰구河端貞次, 민단서기장 토모노友野 이렇게 일제의 군관민 수뇌부 7명이 도열하였다. 축사 봉독이 끝난 후 참석자 모두가 기미가요를 합창하기 시작하였다. 11시 40분경 윤의사는 단상을 향해 동쪽으로 이동하여 도시락 폭탄을 땅에 내려놓았다. 수통폭탄을 들고 기마병의 뒷쪽까지 이동하여 단상과 4미터 떨어진 거리에서 수통폭탄을 단상 위로 투척하였는데 한가운데 명중 하면서 성공적으로 폭발하였다.

상하이 침략의 원흉들은 하나둘씩 쓰러졌다. 가와바다는 다음날, 시라카와는 5월 26일에 사망하였다. 시게미쓰 주중공사는 오른발을 우에다 중장은 왼쪽발을 절단하였고 노무라는 오른쪽 눈을 실명하였으며, 토모노 민단서기장과 무라이 총영사도 큰 부상을 입었다. 한사람도 예외 없이 윤의사의 폭탄에 맞은 것이다. 1945년 일본 전권대표로 일본 외무대신이 항복문서에 서명을 하기 위하여 미주리함에 다리를 절뚝거리며 올라오는데 그 사람이 바로 윤의사의 폭탄에 다리를 절단한 시게미쓰 주중공사였다.

시라카와의 죽음은 일본 모든 신문에 특종으로 전달되었는데, 그는 일본에서 매우 성공한 군인으로 육군대신까지 지낸 인물이다. 1932년 1월 상하이사변 초반 전세가 불리하자 일왕은 퇴역한 그를 사령관으로 임명하였고 남작지위를 줄 정도로 아꼈다고 한다. 이러한 그도 윤의사가 던진 폭탄파편에 힘없이 쓰러졌으니 일제가 받은 충격과 공포, 상하이사변 승리 후 가득찼던 자부심과 오만이 공중에서 산산조각 난 것이다.

윤의사는 수통폭탄을 던진 후 도시락 폭탄으로 자결하려고 했으나 도시락 폭탄을 집기도 전에 부근에 있던 육전대지휘관 호위병과 헌병들에 의해 제압당했다. 곧바로 체포되었고 그 순간 올린 군중들에게 구타를 당해 피투성이가 되었다. 당시 신문에 의하면 피를 연신 흘리면서도 얼굴에 때때로 냉소가 흘렀다고 한다.

현장체포 후 윤의사는 공원 맞은 편 상하이 헌병대 제1분대에 유치되어 10시간 동안 심문을 받고 그날 헌병대 제1분대에서 상하이파견군 헌병대 본부로 이감되었다.

윤군은 자기 시계를 꺼내어 나를 주며 내 시계와 상환하기를 요하면서 '자기 시계는 작일 선서식 후에 선생 말씀에 의하여 6원을 주고 매입한 것인데 선생님 시계는 2원짜리인즉 나에게는 1시간 밖에 소용이 없습니다.' 나는 기념품으로 받고 내 시계를 주었다. 윤군은 입장의 길을 떠나는데 기차(자동차)를 타면서 소지所持 금전을 꺼내어 나의 손에 들려준다. '왜 약간의 돈을 가지는데 무슨 방해가 있는가.' '아닙니다. 기차세 주고도 5, 6원은 남겠습니다.' 그러는 즈음에 기차는 움직인다.

나는 목멘 소리로 '후일 지하에서 만납시다.' 윤군은 차장으로 나를 향하여 머리를 숙이자 기차는 소리를 높이 지르고 천하영웅 윤봉길을 싣고 훙커우공원을 향하고 질치(달려감)해 버렸다.

나는 그 길로 조상섭의 상점에 들어가서 일봉서一封書를 書하여 점원 김영서을 주어 급히 안창호 형에게 보내었으니 그 편지 내의內意는 금일 오전 10시경에서부터 댁에 계시지 마시오. 무슨 대사건이 발생될 듯 합니다. 그 길로 또 석오(이동녕) 선생처소로 가서 진행하는 사정을 보고하고 오반(점심)을 먹고 무슨 소식이 있기를 기다리던 중 오후 1시쯤 되어 곳곳에서 허다한 중국 사람들이 술렁거리는 말은 불일不一하다.

훙커우공원에서는 중국인이 작탄을 던져서 다수 일인이 즉사하였다는 등 고려인의 소위라는 등, 우리 사람들도 엊그제까지 소채 바구니를 메고 날마다 훙커우로 다니면서 장사하던 윤봉길이 경천동지의 대사건을 연출할 줄이야, 김구선생 이외에는 이동녕, 이시영, 조완구 기인 기인幾人이 짐작하게 되었던 것이다. 그러나 그날에 거사하는 것은 나 일개인뿐이 알고 있는 고로 석오(이동녕) 선생께 가서 보고하고 진적 진적眞蹟한 소식을 기다린다 하자. 오후 2,3시경에 신문 호외로 훙커우공원의 일인의 경축대상에 거량巨量작탄이 폭발되어 민단장 하단河端은 즉사하고 백천白川대장과 중광重光대사와 식전植田 중장, 야촌野村 중장 등 문무대관이 중상 운운이고 일인 신문에서는 중국인의 소위라고 하다가 기其 익일에는 각 신문에서 일치하게 윤봉길의 명자를 대호활자로 게재되고 법조계에 대수색이 기起한다.

윤봉길의사는 현장체포 후 상하이 헌병대 제1분대에서 받은 심문을 통해 자신의 신분을 밝히고 폭탄 투척 사실을 시인한다. 또한 폭탄 입수경로에 대해서는 이유필의 호인 춘산으로 가명을 만들어 이춘산에게 받았다고 밝힌다. 상하이파견군 헌병대 본부로 이감된 후에도 다시 심문을 받는데 모진 고문에도 배후를 밝히지 않고 함구했다.

이에 일제는 상하이에 거류하고 있는 한국인들을 급습하여 16세 이상 남자를 체포하기 시작한다. 피난을 계획했던 김구선생은 이 소식을 듣고 상하이의거의 전모를 밝힌 성명서를 작성한다. 자신의 은거를 도왔던 피치목사의 부인의 도움을 얻어 성명서를 영문으로 번역해 5월 9일 중국신문사에 발송하게 된다. '훙커우공원폭탄사건진상(虹口公園爆彈事件眞相)'이라는 제목으로 발표된 성명서는 5월 10일 각종 신문에 게재된다.

이후 헌병대 본부에서는 5월 2일 예심을 청구하여 군법회의에서 조사를 진행한다. 윤의사가 상하이의거의 주모자를 김구 선생이라고 밝힌 것은 성명서가 발표된 이후인 5월 11일 제4회 예심관의 취조 때였다. 헌병대 예심은 5월 19일 종결되었고 5월 20일에 '살인, 살인미수 및 폭발물 취체 벌칙 위반'으로 공소가 제기되었고 일본군 상하이파견군 군법회의에서 5월 25일, 의거 한달도 지나지 않아 사형이 선고되었다. 이 사실은 한국에도 전달되고 1932년 7월 내무성 보안국에서 '상하이에서의 윤봉길 폭탄사건 전말'이란 제목으로 상하이의거의 전말을 최종적으로 정리하고 보고하는 것으로 종결된다.