3月25日的统计显示28人在此次事故中遇难，其中包括311次列车上的日本旅客27人及208次列车检车员江意成（长沙铁路分局）。此次事故的死者当中，27人因广泛胸腹挤压伤或颅脑损伤而当场死亡，1人因伤重抢救无效死亡，另有一名为平田博稔的日本学生回国后不治身亡。遇难的日本旅客包括领队的高知学艺高中体育教谕、剑道教士川添哲夫及高一学生27名。

在两列涉事列车中，208次列车因机后一位为行李车，伤亡人数相对较少，311次列车损毁最严重的机后第二辆软座车则是伤亡情况最惨重的车厢。

1988年3月25日，中华人民共和国国务院成立由上海市人民政府和铁道部、外交部等有关部门负责人组成的事故善后工作领导小组以及由全国安全生产委员会会同监察、公安等有关部门组成的事故调查小组。事发后，上海铁路局新闻发言人称事故原因可能是列车制动失灵，但数日后的调查显示311次列车的制动系统良好。日本海外铁道技术协会调查员山田直德称，发生事故的侧线安全设施很不充分，日本火车模型杂志《月刊火车》主编松本谦一认为中国生产的铁路客车在设计时没有充分考虑到保护措施。

4月5日，全国安全生产委员会调查组称此次事故的原因是311次列车司机违反行车规定，并将该事故定性为行车重大责任事故。新华社1988年9月22日发布的三·二四行车事故案审理报道称，311次列车的机车乘务员周小牛、刘国隆思想分散，疏忽大意，违反铁路机车运行和技术管理等有关规定，没有认真瞭望和及时制动减速，又擅自关闭驾驶室内的无线电话，导致列车制动不及，从而引发事故。后续调查显示，周、刘二人在值乘时玩忽职守，未认真瞭望、未确认出站信号，未执行呼唤应答制度，但具体报告仍然未被公布。

除311次列车机车乘务员玩忽职守、违规操作外，该事故的另一原因为封浜站调度的违规操作。208次列车图定于14时13分从封浜站开出，但事发当天封浜站没有严格按图行车，于14时11分提前2分钟放行208次列车，其后208次列车运行至匡巷站外确认预告信号显示为绿灯，机车信号、进站信号均为单黄灯，但在接近匡巷站上行进站信号机时，208次列车的机车乘务员突然发现对面交会的311次越过道岔，且进站信号变为红灯，遂立即采取紧急制动措施，但仍然无法避免与对面的311次列车相撞。

相撞事故发生后，匡巷站附近的工厂工人及农民首先向公安和卫生部门报警，其中一列涉事列车的列车长亦在附近的列车调度站通过电话报告上海铁路分局，当地消防中队于14时30分赶赴现场，南翔医院、封浜乡卫生院等当地医疗机构也向现场派遣医护人员。其后由上海市区各大医院组成的医疗队100余人、38辆救护车、30辆公安交通指挥车及19辆消防车被派往事发现场。多个驻沪部队亦派官兵前去救援。此外，乘坐208次列车赴沪的浙江省广播电视厅记者童禅福也参与了救援，与消防人员共同抢运伤员。附近居民亦有不少人积极参与救援，后因人数过多，武警不得不封锁现场。而事发地又属于郊外，距上海10公里以上，加之当天傍晚开始下雨、起浓雾，这些都给救援工作制造了困难。

由于1、2号车厢严重挤压，救援人员只得登上车顶，将车厢顶板通过气割切开，并经由切开的通道钻进车厢，将伤员传送至车外的临时急救点紧急处理，其后伤员被送往地区医院继续救治，重伤员在当地医院由来自市区的医疗队会同当地医院共同抢救，病情稍稳定后由医疗队带回各自医院进一步救治。现场抢救持续了11个小时。

以时任中华人民共和国铁道部副部长李森茂为总指挥的抢救指挥部于3月24日当晚成立并对抢救工作进行紧急部署，此前的现场抢救则由上海市卫生局领导小组直接指挥。在抢救过程中，上海市血液中心站提供血液6万余毫升。

事故现场于3月25日凌晨4时已基本清理完毕，沪杭线也于25日中午恢复运行。日本伤员也于3月25日分别被转移到上海市第一人民医院、长征医院、中山医院、华东医院、华山医院等位于市区的大医院继续抢救。旅行团中未受伤的129名师生和12名受轻伤的学生则于3月25日晚乘飞机返回日本。遇难者的遗体于3月25日16时30分以后被陆续运到上海市龙华殡仪馆，其中3人的遗体于3月26日被火化。3月27日上午，受伤日本学生及死难、受伤者的家属共134人乘日方包机回国，日方24名遇难师生的灵柩以及3名遇难者的骨灰盒同机返日，当时日方仍有家属14人、伤员11人留在上海，其中5人为重伤员，这些伤员直至4月3日才全部返日。

事后不久，中日双方成立了赔偿谈判团，中方团长为上海铁路局副局长孔令然，日方团长为当年3月31日刚刚卸任日本辩护士联合会（全日本律师协会）副会长、4月顾问辩护团选任团长，时任日中法律家交流协会专务理事的冈村勋。1988年5月11日至17日，上海铁路局局长韩杼滨、上海市政府外事办公室副主任俞彭年、上海市卫生局局长王道民等8人组成上海列车事故慰问团，赴日慰问遇难者家属和受伤学生。同年6月18日至19日，第一轮赔偿问题谈判在东京进行，第二次谈判则于7月29日至30日在上海进行，中方提出的赔偿金额与日方的赔偿要求存在极大差距。由于双方就谈判地点争执不下，从第三轮开始，谈判在东京与上海间轮流进行。

在8轮磋商谈判后，中日双方于1989年3月11日在日本高知市签订“上海铁路事故赔偿协议书”，由上海铁路局给予“3·24”事故中每位日本籍死者450万日元（当时约合3.3万余美元）的赔偿金，对36名日本籍伤者也确定了一次性的补偿金。此外，日本政府、保险公司、日方学校及日本社会各界也提供了一部分补偿金，日方每位遇难者获赔额增加至4850万日元。

1989年2月22日，日方部分遇难者遗属向高知地方裁判所提起诉讼，认为高知学艺高等学校安全考虑不周，负有重大过失，请求判决学校和校长佐野正太郎共2.53亿日元的损害赔偿责任。原告由6家遗属组成，惟过程中有3家与学校达成和解。1994年10月17日，高知地方裁判所发布判决，认为学校的事先调查进行得“非常不充分”，但本次事件缺乏可预见性，学校违反对安全性的调查确认义务与本起事故后果没有相当因果关系，故驳回原告诉讼请求；判决书中同时亦有批评学校事后处理态度。

另据《每日新闻》报道，根据当年的报纸，事故中死亡的中国籍列车检车员仅获赔人民币2500元（约合当时8万日元）。

事发后，311次列车正副司机周小牛、刘国隆分别于4月3日、4月22日依法被逮捕。1988年9月22日，上海铁路运输中级法院对此次旅客列车正面相撞的重大交通肇事案进行公开审理，依法以交通肇事罪判处311次列车司机周小牛有期徒刑6年6个月、副司机刘国隆有期徒刑3年。

3月25日，中华人民共和国国务院代总理李鹏致电日本内阁总理大臣竹下登，向此次列车事故中遇难和受伤的日本学生与家属表示深切慰问。同日，中华人民共和国外交部部长吴学谦致电日本外务大臣宇野宗佑，慰问列车事故死伤者家属。中华人民共和国国家旅游局局长韩克华于3月25日下午致电日本运输大臣石原慎太郎，对高知修学旅行团部分团员不幸遇难表示沉痛哀悼。

中国国务院秘书长陈俊生、国家经委副主任叶青等6人受代总理李鹏的委托，于3月26日上午到达上海处理“3·24旅客列车相撞事故”的善后工作。

时任上海铁路局局长韩杼滨及上海铁路公安局、上海铁路分局领导在事发当天下午前往事发现场，上海市委副书记、副市长黄菊亦于当天下午到场，铁道部部长李森茂也于当晚前往现场。

3月25日，中国外交部副部长朱启祯前往上海，当天下午，上海市外事办公室向日本驻沪总领事吉田重信通报列车相撞事故的情况，并举行中外记者招待会，介绍事故情况，此后两天又连续召开两场新闻发布会。3月26日，中国驻日本大使章曙专程前往高知县，代表中国政府就日本师生在上海列车相撞事故中遇难一事，向高知县知事中内力和高知学艺高中校长佐野正太郎表示慰问，此前中国驻日使馆曾就该事故向日本外务省表示歉意。3月26日，上海市副市长刘振元在遇难者入殓仪式上致悼词。

5月13日，中方派出由韩杼滨率领的慰问团前往日本，看望在东京和大阪入院接受治疗的伤者，并逐一登门访问高知当地所有遇难者家属，向他们致上歉意。次年2月24日，上海铁路局向遇难者家属发去传真，邀请他们在事故周年祭时前往上海凭吊，铁路局负担3天的机票和住宿等所有费用。

日本于当地时间3月24日晚7时许收到关于此次列车相撞事故的第一条消息。日本外务省在事发后设立了处理事故总部，各大报纸、电视台也对事故作出持续报道。共同社称该事故可能是“因过于重视增强运输量和运行指标而忽视安全和纪律”的结果。

日本外务政务次官浜田卓二郎于3月25日晚与遇难及受伤学生家长同机抵沪。

事发后，日本部分计划赴中国修学旅行的高等学校及部分赴中国游览的团体表示将取消出游计划。

《“三·二四”上海撞车事故目击记》，作者童禅福。该报道于1988年获评全国好新闻奖作品。

事后，中华人民共和国铁道部制定了一系列加强旅客列车安全的规章制度，如客车从始发站开出后的第一区间内必须调速试闸，旅客列车必须编挂隔离车等，并强调严格执行机车操作规程、车机联控制度。这起事故也加快了列车监控装置的研发，以及车站侧线电码化的全面推行。

事发后，尾形大作歌曲《无锡旅情》因提及上海经苏州至无锡的火车而在日本遭自主规制，停播数年。此外，东野圭吾在小说《白夜行》中也提及了此次事故。此次事件亦导致富士电视台30周年台庆特别列车，由巴黎经欧亚各国铁路、最后经海路到达日本本土的东方快车'88的运行径路计划由原先上海装船变更为在香港九龙装船。