선생은 자동차 뒤를 따라가며 동정을 살피면서 실행의 기회를 엿보았다. 금호문을 빠져 나온 자동차는 와룡동(臥龍洞) 창덕궁경찰서장 관사 앞에 다다랐다. 그곳에는 창덕궁으로 가는 사람들이 길을 메우고 있었다. 자동차는 그곳으로 더 이상 갈 수 없어, 다시 돈화문 방향으로 차를 돌려 천천히 올라오고 있었다. 잠깐 머물고 있을 때 선생은 그 기회를 놓치지 않고 비호같이 자동차의 왼쪽 승강대로 뛰어 올라 왼손으로 차창을 잡고 오른손으로 칼을 뽑았다. 그 칼로 뒷자리 중앙에 앉아 있는 살찐 자를 찌르려고 한 것이다. 그러자 왼쪽 앞자리에 있던 자가 급히 손을 들며 일어나 저지하려 하니, 선생은 그 자의 오른쪽 가슴과 왼쪽 허리를 찔러 쓰러뜨렸다. 그리고 총독이라고 생각한 자를 향해 가슴과 배를 찔러 쓰러뜨리니 전광석화와 같은 행동이었다.
하지만 불행하게도 송학선이 사이토로 생각하고 처단한 사람은 사이토 총독과 체격과 생김새가 비슷한 일본인민회(日本人民會) 이사 사토(佐藤虎次郞)였다. 그리고 자동차의 왼쪽에 앉아있던 사람은 국수회(國粹會) 부회장 타카야마(高山孝行)였고, 오른쪽에 타고 있던 자는 경성부협의회 의원 이케다(池田長次郞)였다. 거사를 실행한 후 선생은 사이토 총독을 처단하였다고 생각하고, 재빨리 차에서 뛰어 내려 재동 쪽으로 달아났다. 갑작스런 사건에 부근에 있던 기마순사 후지와라(藤原德一)가 경적을 불며 그 뒤를 추격하였고, 그 소리를 듣고 선생을 붙잡으려고 서대문경찰서 순사 오환필(吳煥弼)이 달려들었다. 이에 선생은 오환필의 배를 찔러 넘어뜨리고 다시 달아났다. 그러자 기마순사는 말을 돌려 선생의 앞을 가로막았고, 뒤에서 수십명의 일경들이 추격하여 왔다. 선생은 휘문고등보통학교 문앞 골목으로 들어갔다. 따라오던 후지와라 순사가 칼을 뽑아 선생을 내려치자 날쌔게 몸을 피하니 칼이 땅에 떨어졌다. 이와 동시에 선생은 떨어진 칼을 집어들고 격투를 벌였다. 그런데도 일경들은 선생의 강력한 저항에 감히 가까이 오지 못하고 한참 동안 멍하니 바라보기만 하였다. 잠시 후 정신을 차린 일경들은 주위의 돌멩이를 집어 선생을 향하여 던졌다. 선생은 돌멩이를 이리저리 피하면서 도리어 그 돌멩이를 집어서 순사들을 공격하였다. 그러던 중 겁에 질린 헌병 두 명이 선생을 향해 권총으로 4발의 총탄을 쏘았다. 하지만 선생은 "오냐 쏘아 죽여라"라고 하면서 두 팔을 떡 벌렸다. 총까지 쏘아도 할 수 없으니, 일경들은 칼을 겨누고 달려들었고 그 중 한 명이 너댓 발이나 되는 대가지로 찌르며 공격하였다. 선생은 다시 옆으로 통한 샛길로 피해 가다가 따라오는 순사 한 명을 칼로 쳐서 쓰러뜨리고 한동안 혈전을 계속하다가, 중과부적으로 머리에 상처를 입고 일경들에게 붙들리고 말았다. 이때 선생은 휘문고보 앞에서 구경하던 학생들에게 "만세 불러라 만세 불러!"라고 소리를 쳤다. 선생의 칼에 찔린 타카야마는 이왕직 의무실에서 응급처치를 받았으나 워낙 중상이었기 때문에 사망하였고, 총독으로 오인되어 칼에 찔린 사토는 중상을 입고 총독부의원에 입원하였다. 또한 선생을 뒤쫓았던 오환필 순사는 중상을 입고 사망하였으며, 후지와라 순사도 머리에 칼을 맞고 총독부병원에 입원하였다. 일경에 체포될 때까지 선생은 자신이 처단한 사람이 사이토 조선총독인 것으로 생각하였다. 그렇기 때문에 취조를 받는 과정에서도 당당하게 심문을 받았다. 일제 경찰도 선생을 심문하는 과정에서 아연하지 않을 수 없었다. 처음에는 단순한 살인행위로 알았는데, 사이토 총독 처단을 위해 자동차를 습격한 때문이었다. 그런데 종로경찰서장이 선생에게 “타카야마와 사토를 무엇 때문에 살상하였느냐"고 추궁하였다. 선생은 자신이 처단한 자가 사이토 총독이 아니고 타카야마냐고 물었다.