大会结束后，李大钊率领游行队伍，按预定路线，经过东长安街、东单牌楼、米市大街、东四牌楼，最后进入铁狮子胡同东口，直奔执政府门前广场。在列队请愿过程中，广大市民也纷纷加入请愿队伍。
在执政府门前，学生代表要求卫士长请北洋政府临时执政段祺瑞出来会见群众，被卫士长以段祺瑞不在执政府为由予以拒绝。
此时，游行群众按捺不住内心的激愤，“打倒段祺瑞政府”的口号此起彼伏。就在这时，突然一阵枪声响起，执政府卫队竟然向请愿群众开枪射击，群众队伍中顿时血花飞溅，抗议声、惨叫声响成一片。枪击共造成46人死亡，近150 余人受伤，李大钊也在此次枪击事件中负伤。
这就是著名的“三一八惨案”。当时段祺瑞在家中养病，没有去执政府，究竟是谁下令开枪，不得而知。当日，北京政府发出对李大钊等请愿活动组织者的通缉令。