同时，又因其刚毅自信，为人坦率，锋芒毕露，尤其藐视黎元洪，因此，被黎元洪视为心腹大患，密谋除之。
袁世凯任临时大总统后，邀请首义党人及将领百十人入京，聘为总统顾问，张振武便位于其中。不久袁世凯又任张振武为蒙古调查员，黎元洪本以为可以调虎离山，孰知张振武不满意，负气返回
武汉。黎元洪到处找人说服张振武赴
北京就任，并赞助四千元作为旅资。1912年8月11日，张振武偕湖北将校团团长方维等武昌首义将校13人，并随从30余人乘火车北上。
张振武一离开武昌，黎元洪即密电袁世凯说：张振武“蛊惑军士，勾结土匪，破坏共和，昌谋不轨……伏乞将张振武立予正法，其随行方维，系属同恶相济，并乞一律处决，以昭炯戒。”要求袁世凯立即将张振武和方维二人立即予以捕杀。
袁世凯斟酌再三，于1912年8月15日签发了捕杀张振武的军令，同时派出
姜桂题、
段芝贵执行杀人任务。当晚8时，张振武与鄂省在京将校一起宴请北方将校。10时席散，张振武乘马车返归金台旅馆。当行至前门棋盘街牌楼下时，忽然伏兵四出，将其绑缚至西单牌楼玉皇阁军政执法处，未经审讯，即于16日凌晨1时将其处死，同时来京的湖北将校团团长方维也在当夜被处死。待时值同在北京的
孙武、
时功玖等人前去营救时，张振武已经牺牲。史上亦称“张方事件。”
张振武、方维被杀的消息传出，举国震怒。参议院中，以
张伯烈为首的20名共和党议员提出了《质问政府枪杀武昌起义首领张振武案》，并曾动议弹劾政府。后为袁世凯利用政治手腕，拉拢收买共和党中的一些议员，使其放弃追究，才将弹劾案搁置。
在
同盟会内部，稳健派和激烈派进行了一次法律解决还是武力解决的交锋。1912年8月20日，王芝祥、蔡元培、胡瑛等1024人在上海发起法律维持会，并致电参议院，表示支持参议院捍卫法律。而以戴季陶为首的激烈派则主张以武力解决。双方的论战持续一个多月。
1912年8月24日，孙中山抵达北京，在与袁会晤时，主张“表彰张振武之功以为和解，免得小题大做，致误要政。”9月中旬，袁世凯经与孙中山、黄兴多次会晤，达成内政大纲八条，在征询黎元洪同意后，以袁、孙、黄、黎四人名义发表。南北达成表面的和谐一致，张振武案不了了之。
张振武案使袁世凯得到了双重的政治利益，既打击了革命党，又离间了黎元洪与革命党的关系，迫使黎元洪不得不进一步向袁世凯靠拢，从而向革命党人势力较强的南方打入了一个楔子。湖北在后来成了北洋军镇压二次革命的前进基地。