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1962年5月3日晚間9點36分（日本東京時間），國鐵常磐線三河島站號誌機顯示為紅色的停止信號。但是由1列45輛編成的下行287次貨物列車（田端貨車場發車，往水戶方向，由D51型牽引）沒有依照停止號誌的停止，進入安全側線之後出軌，造成機車頭以及第2節車廂彈到下行本線。
隨後，下行2117H次客運列車（上野發車，往取手方向，6輛編成）正好從三河島站晚4分鐘離站，撞向彈到行本線的貨物列車貨車部分，也發生出軌，2輛車廂彈跳到上行本線，這次撞擊造成25人受傷。但操作信號機的人員因為忙著處理善後就忘了發出號誌警告其他列車。
約6分鐘到7分鐘之後，上行2000H次客運列車 （往上野，9輛編成）進站，又撞向出軌的 2117H 以及正準備從前1次撞擊逃生的乘客。這次事故造成了160人罹難和296人受傷。
事故當日早上因日本東北地區地震和東北本線古河站脫軌事故影響，常磐線列車運轉混亂，直到事發前依然未回復。正常情況287次貨物列車三河島站為通過，當日因2117H次客運列車延遲而預定於該站待避客運列車。
貨物列車進入三河島站時進站號誌為黃燈，出發號誌為紅燈，司機員直到看到紅燈發現狀況不對並緊急剎車後車輛進入安全側線並脫軌，部分車輛彈跳至下行本線。2117H次客運列車晚4分從三河島站出發後，在第一次撞擊前司機發現異狀並緊急剎車，然而仍發生撞擊。2117H次由於1、2車出軌且集電弓脫離造成車內停電，乘客因而自行使用緊急開關（因櫻木町事故而開始裝設）開啟車門後撤離事故列車。
三河島站內的號誌人員則因要確認狀況而未針對上行方向發出事故警告（但下行方向後續列車已停止運行）。
上行2000H次客運列車同因地震影響晚2分自南千住站發車，恰好同時南千住站接受到三河島站的事故告知並將號誌轉為紅燈，但2000H次已通過號誌機而不知前方有事故發生，2000H次的司機在接近事故現場時發現自2117H次離開避難往南千住站方向步行之乘客並採取緊急剎車，但仍撞擊2117H次1輛車廂，2000H次第1車嚴重損毀，第2車以下脫軌翻覆至高架橋下的倉庫。
事故死傷包含從2117H次離開的乘客、2000H次乘客與司機共計160人死亡和296人受傷。
最初下行貨物列車司機誤認號誌並錯認為路線有開通。由於蒸汽機車的視線受到鍋爐遮擋，及唯恐蒸汽機車於坡道上停車後再次啟動困難而忽略號誌。
另外，三河島站站員對事故現場直接確認有困難也是間接原因。除距離三河島站號誌樓約百公尺外，當天由於接近新月，夜晚視線亦受到限制，在實際到現場確認事故狀況才回報被認定與事故有關。
國鐵將「非不得已不停駛」的政策修正為「只要事故發生，不論規模大小，儘快停止列車」。但之後受到北陸隧道列車火災事件影響，此一政策再次受到質疑。
1956年六軒事故發生後，國鐵原計畫裝設自動列車停止裝置（ATS），由於三河島事故的發生，提前裝設於全國主要幹線。
國鐵針對進入常磐線的全車輛裝備信號炎管，並開始開發列車防護無線裝置。
287次貨物列車司機員與助理、2117H次列車行車人員、三河島站站員遭判刑。其中2117H次的司機雖第一次撞擊當下昏迷，但之後清醒並逃離事故車，就未通報第一次撞擊現場狀況一事被追究。
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