ביום ראשון 29 בפברואר 1948, בשעת בוקר, יצאה ממצרים לכיוון חיפה רכבת בריטית ועליה עשרות חיילים בריטים שחזרו מחופשתם באנגליה והיו בדרכם לבסיסיהם בסרפנד (צריפין) ובמקומות נוספים ברחבי הארץ. הרכבת כללה כ-10 קרונות. בסביבות השעה 8:30 בבוקר נכנסה הרכבת לתחנת רחובות. דקות ספורות לאחר שהרכבת המשיכה צפונה מתחנת הרכבת רחובות, בסביבות השעה 8:40, כחצי ק"מ צפונית לתחנה, ליד "גבעת הקיבוצים" ("מכון איילון"), עלתה הרכבת על מערכת מוקשים שהונחו-הוצמדו על המסילה על-ידי לוחמי לח"י. נשמע פיצוץ עז. שני קרונות אמצעיים של הרכבת נהרסו כליל ואחרים ניזוקו. מעצמת והדף הפיצוץ עשרות חיילים הועפו לשני צידי המסילה ואחרים נקברו מתחת לשברי הקרונות. החלק הקדמי של הרכבת המשיך לנסוע כמה מאות מטרים עד שנעצר. שני הקרונות האחרונים כמעט ולא נפגעו ונשארו עומדים על מקומם.
אנדרלמוסיה ובהלה עיתונאי שהגיע למקום זמן קצר לאחר הפיגוע מתאר "מחזה קשה" ודיווח על גויות מרוסקות ועל עשרות חיילים פצועים והרוגים שהתגוללו משני עברי המסילה. במקום שררה אנדרלמוסיה ובהלה. חיילים ונוסעים אחרים ברכבת שלא נפגעו עסקו בחילוץ ההרוגים והפצועים שנקברו תחת שברי הקרונות ובטיפול בפצועים. היה חוסר באלונקות ובחומרי עזרה ראשונה. ההגעה למקום ברכב הייתה קשה. כאילו לא די בכך, התברר כי גם הקשר הטלפוני נותק ולא הייתה אפשרות להזעיק עזרה.
ראשונים שהגיעו למקום, לשמע הפיצוץ המחריד היו חברי "הכשרת הצופים" ששכנה ב"גבעת הקיבוצים" בקרבת מקום. תחילה התקבלו חברי "הצופים" בהסתייגות וחשדנות על-ידי הבריטים אולם כשהבריטים השתכנעו כי כוונת "הצופים" טובה הגישו חברי "הכשרת הצופים" עזרה ראשונה לפצועים.
רק כעבור כשעה הגיע אמבולנס מד"א מרחובות ופינה פצועים לבית החולים הצבאי באר יעקב. בהמשך הגיעו אמבולנסים של הצבא הבריטי מבסיס סרפנד (צריפין). פינוי ההרוגים והפצועים נמשך שעות ארוכות עד הצהריים. במקום נספרו 20 הרוגים. שמונה פצועים מתו בדרך לבית חולים או בבית חולים מפצעיהם. מספר ההרוגים הגדול מוסבר גם בעיכוב הממושך בהגשת עזרה רפואית מקצועית לנפגעים ובהיעדר חומרי עזרה ראשונה.
בסריקת המסילה נמצא מוקש שלא התפוצץ אשר הכיל כ-45 קילוגרם של חומר נפץ מסוג אמונל. מספר המוקשים שהתפוצצו הוא כנראה שלושה. המפקד הצבאי הכללי בארץ ישראל הגיע למקום הפיגוע לעמוד מקרוב אחר מה שהתרחש.
חשש מחיפושים "בגבעת הקיבוצים "וחשיפת "מכון אילון" הפיצוץ אירע סמוך ל "מכון איילון" (גבעת הקיבוצים) שהיה מפעל תחמושת מחתרתי של "ההגנה" והיה חשש שהבריטים יערכו חיפוש מדוקדק בסביבה ובאזור במטרה ללכוד את המפגעים שעלול היה לחשוף את המפעל הביטחוני החשוב. היו אלה ימי הדמדומים של השלטון הבריטי בארץ . כעבור כחודשיים וחצי עזבו הבריטים את הארץ.
בישוב היהודי נשמעו קולות שגינו את ההתקפה. בישיבת מועצת העיר תל אביב גינה ממלא-מקום ראש העיר אליעזר פרלסון את הפיגוע וכינה אותו כפשע מתועב המהווה סכנה למלחמת היישוב ומכתים את שמו של העם היהודי בעולם".
הלח"י: הפיגוע ברכבת תגמול על פיגוע ברחוב בן-יהודה בירושלים לאחר הפיגוע המיקוש ברכבת ליד רחובות עוד באותו יום, פרסם ארגון הלח"י כרוז בו הוא מודיע כי הלח"י הוא שביצע את הפיגוע ליד רחובות במלאת שבעה לפיגוע ברחוב בן-יהודה בירושלים כתגמול על פיצוץ מכונית התופת בידי בריטים ברחוב בן יהודה בירושלים שהתרחש שבוע קודם לכם ב-22 בפברואר 1948 ובו נרצחו כ-60 יהודים ונפצעו עשרות. הלח"י ציין כי תקף רכבת שהביאה חיילים לארץ ישראל במקום לפנותם כפי שקובעת ההחלטה על פינוי הבריטים מהארץ וסיום המנדט עוד צויין בכרוז כי בפעולה נגד הרכבת לא נפגעו אזרחים בעוד בפיגוע מכונית התופת ברחוב בן יהודה ירושלים נפגעו אזרחים.
