在袁世凯的亲信、参谋次长陈宦的策划下（当时黎元洪也兼任参谋总长，但他一直没有上任，事务均委托给次长陈宦），黎元洪决定与袁世凯合作，对这“三武”来个调虎离山之计，将他们弄到北京去。当年5月，袁世凯以“革命首义”的名义将“三武”召到北京，并封他们为总统府军事顾问官（又是闲差）。对此，张振武曾多次表示不满，他对陆军总长段祺瑞抱怨说：“难道我们湖北人就配做个顾问官？”
在张振武的一再要求下，袁世凯只好又封他为蒙古屯垦使加以敷衍。张振武当时四十出头，正是年富力强的时候，他也确实想实实在在地做点事情，于是他接受委任后，极诚恳地向袁世凯申请经费以开办专门机构。袁世凯这时哪里有钱，也就没有理会。张振武一怒之下便擅自回了武昌，并利用自己之前的势力公开设立屯垦事务所，还打算募集一镇精兵前往蒙古。为此，张振武向黎元洪提出每月拨给经费1000元，作为开办费。
黎元洪见张振武去而复返，本就十二分的不乐意，他见张振武又重新聚集他的旧势力，更是感到极大的威胁，于是决心除掉张振武。由于当时张振武与孙武也发生了矛盾，袁世凯特意派出湖北籍的参议员刘成禺、郑万瞻回武昌进行调解。在各方努力下，孙武、张振武和黎元洪都在表面上恢复了和气，而袁世凯趁热打铁，再次发来电报邀请张振武赴京。
8月初，张振武和亲信将校团团长方维等30多人随同参议员刘成禺、郑万瞻一起前往北京，由此走上了不归路。在临行之前，黎元洪还特意赠给张振武4000大洋作为旅费，双方和好如初，相谈甚欢，但一个阴谋却就此展开了。
在张振武抵达北京后，黎元洪向袁世凯发出一封密电，其中称：“张振武以小学教员赞同革命，起义以后充当军务司副长，虽为有功，乃怙权结党，桀骜自恣。赴沪购枪，吞蚀巨款。当武昌二次蠢动之时，人心皇皇，振武暗煽将校团，乘机思逞。……吾鄂人民胥拜天赐，然余孽虽歼，元憝未殄，当国家未定之秋，固不堪种瓜再摘，以枭獍习成之性，又岂能迁地为良。元洪爱既不能，忍又不敢，回肠荡气，仁智俱穷，伏乞将张振武立予正法，其随行方维系属同恶共济，并乞一律处决，以昭炯戒。……” 在向袁世凯揭发了张振武的种种“不法”行为后，黎元洪要求北京方面将张振武就地正法。
袁世凯收到黎元洪密电后，亲自取出密电码本自行译校，随后便将心腹赵秉钧、冯国璋、段祺瑞三人请来商议处置之法。赵秉钧三人主张再给黎元洪发一封电报，问清楚是不是黎元洪的本意，再做处断。两日后，武昌方面复电，确属黎元洪本人的主意。随后，袁世凯给军法处发出命令，将张振武逮捕后立予正法。
一个巨大的阴谋已经张网后，张振武尚且浑然不觉，他当时仍在北京到处会客，与各界人士联络感情，为将来的事业打下基础。8月15日晚，张振武与湖北来京将领在六国饭店宴请姜桂题、段芝贵等北洋将领，以消除南北军界隔阂，化解之前战争的敌意。当晚10点，酒阑人散，张振武在回旅社途中被潜伏的军警拦截，随后被捆绑押解到西单牌楼玉皇阁京畿军政执法处。随后，军法处总长陆建章向他出示了黎元洪请求杀张振武的电报及袁世凯下令处决的军令。由于事情来得太突然，张振武一下就蒙了，他大声质问陆建章：“我究竟犯了什么罪？竟然要杀我？”陆建章摊开手，表示军令如山，无法转圜。
16日凌晨1点，也就是张振武被捕3个小时后，在没有任何审讯的情况下，张振武被绑在军法处的木桩上吃了六颗花生米，就这样不明不白地成仁了。临刑前，张振武仰天长啸：“想不到共和国也如此黑暗！”同晚，随同张振武一起进京的将校团团长方维也在旅馆被抓，并于凌晨在城外处决。
此事发生后，湖北籍参议员刘成禺、时功玖、郑万瞻等人大愤，他们随即向临时参议院提出质问和弹劾。在这个事件中，感觉被袁世凯愚弄和利用的刘成禺愤怒地指出：“现在政府杀人之手续，基本和强盗行为没有区别。如果这样下去的话，今后凡是民国起义之元勋，都可以一一捕杀，任凭某人为帝为王矣！”
