彭家珍回到四川后，被分配在高等军事研究所。1907年彭家珍加入新军，任排长，驻成都凤凰山。彭家珍在军队中积极宣传革命思想。当时四川中国同盟会一些骨干成员汇集成都策划武装起义，因事机不密，革命党人遭到清吏全城搜捕。满清四川总督赵尔丰先调新军入城警卫，闭城戒严搜捕革命党人。彭家珍幸未暴露身份，奉调随军入城，得知赵尔丰的部署后，及时报信通知革命党人转移，使参与起义的一百多名中国同盟会会员大多幸免于难，为革命保存了有生力量。

事后，彭家珍遭到上级怀疑，被免去职务。是年6月，彭家珍离开成都前往昆明，初任陆军第十九镇随营学堂管带兼教练官，不久升为提调。半年后，随营学堂撤销。1910年5月前往沈阳，7月出任学兵营左队队官兼教练，彭家珍趁挑选学兵之机，发展该队队员加入中国同盟会，秘密从事革命活动。彭家珍所联系和指挥的人，在武昌起义以后成为东北起义的骨干力量。

彭家珍在秘密从事革命活动中，善于隐蔽自己，与学兵营管带崇恭相处“甚善”。上司认为彭家珍“可靠”，在满清政府陆军部考绩中，彭家珍被列为一等第一名，授予相当四品的正军校衔。凭此，彭家珍获得天津兵站司令部副官长、代理标统职。同时，彭家珍还亲自从上海运送炸手枪、炸弹等军火到天津，暗中策划暗杀满清高官的行动。11月满清政府从欧洲购置了五千支步枪，五百万发子弹，通过西北利亚铁路转京奉线，再运武汉以镇压革命军。彭家珍负责押运，暗中授意革命党人商震等联络二十镇统制张绍曾，当军火列车通过滦州时截留全部军火，使满清政府及前线统帅袁世凯极为震惊。彭家珍从天津兵站搞出军八百包，军马九十多匹，银元一万多元，提供给革命党人做发动武装起义之用。由于彭家珍挪出了兵站大量款项物资，被满清政府下令通缉。彭家珍从此转入地下活动，机智的奔走于京、津、滦、奉、沪、宁之间，在上海担任中国同盟会支部军事部副部长，并被选为蜀军北伐副总司令。1911年12月彭家珍返回北京，担任京津同盟会暗杀机关部部长。

1912年1月1日中华民国临时政府在南京成立，孙中山就任中华民国临时大总统。但满清皇室贵胄却不甘心失败，1912年1月12日满清贵族毓朗、溥伟、载涛、载泽、铁良等人召开秘密会议，商讨镇压革命。1月19日即以“君主立宪维持会”的名义发布宣言，被称为宗社党。宗社党成员胸前刺有二龙图案，满文姓名为标志，在京、津等地积极活动，想夺回袁世凯的内阁总理职权，以毓朗、载泽出面组阁，铁良出任清军总司令，然后与南方革命军决一死战。并强烈要求隆裕太后坚持君主政权。

爱新觉罗·良弼是宗社党的首领，而袁世凯却握北洋重兵窥视观望，欲乘机篡夺革命政权，故而形成南北对峙局面。彭家珍分析形势之后，认为北方革命之所以不能快速发展，主要是敌人军事力量强大，擒贼先擒王，只有诛锄首恶以杀其势，先诛杀阻碍革命的死敌才行。彭家珍领导的京津同盟会暗杀机关部当即作出先暗杀满清政府内阁总理大臣袁世凯、宗社党首领良弼、宗社党骨干载泽三人的行刺计划，并迅速与上海革命机关取得联系，将暗杀所需的各种武器先后从上海秘密运至北京。彭家珍和暗杀部的同志每天到京西门头沟、十三陵等处荒山进行演习，随即具体布置暗杀计划。

1912年1月15日，暗杀团探知袁世凯上下朝的准确时间后，决定在北京东华门丁字街一带埋伏，对袁世凯进行炸弹袭击，并连夜制定了暗杀计划，由暗杀团成员张先培、杨禹昌、黄芝萌直接实施暗杀。一切准备就绪，1月16日清晨，张先培身怀炸弹，昂首对其他成员相约：“如能幸免，我当再干，同仁有幸免者，亦如是，死而后已。”随即前往埋伏。当天上午11时许，袁世凯从清宫退朝出来，先有护车十辆，内坐各部官员侍从。沿街戒备森严，两边护卫军弁，刺刀出鞘，铜号声声，气势肃煞。当时，袁世凯所乘的是一辆金漆朱轮马车，前后两旁簇拥一批扈从护卫，正当经过丁字街三义茶楼门口时，突然从茶楼上飞出一颗炸弹，轰隆一声，硝烟腾起，马车在慌乱中疾驰而过，刚到天顺茶楼门前，又有一颗炸弹横飞出来，正好落在车棚顶上，随即滚了下来，轰然爆炸。袁世凯虽然侥幸得免，却也吓得魂飞魄散，惊叫驾车者急速扬鞭策马，在烟雾弥漫中狼狈逃去。而跟随在马车两旁的卫队营管带袁金标和卫兵数人当场毙命，领先开道的侍卫杜保亦重伤而死。事发时，袁世凯随行卫队立即围击，大批军警亦闻讯赶到，包围现场，搜捕刺客，张先培、黄芝萌、杨禹昌不幸被捕牺牲。袁世凯唯恐再遭暗杀，从此闭门不出，警卫森严，不便再刺。暗杀团首战失利，彭家珍总结经验，认为在街头狙击的办法并不合适，那样投掷炸弹准确性差，且敌人容易逃脱和反击。因此，最好采取堵上门暗杀或直接将敌人暗杀在室内的办法。

自宗社党成立后，宗社党首领爱新觉罗·良弼坚决反对清帝退位，扬言“要重整兵马和南方革命党决一死战”，良弼还建议以赵尔巽代替袁世凯出任内阁，以铁良为大将军，以庆亲王、肃亲王协助筹集监督粮饷，而良弼则总揽满汉文武内外之全权。在良弼的鼓动下，宗社党在满清政府中占据了主导地位，一时间隆裕太后似乎看到了希望，他们垂死挣扎、要与革命党进行最后的决战。良弼的所作所为，已经被革命党人视为共和路上最大的绊脚石。彭家珍见良弼如此倒行逆施，义愤填膺，怒不可遏。为了扫除革命阻碍，彭家珍自告奋勇，决心舍身前往暗杀良弼。对于暗杀良弼的行动，彭家珍是抱定必死之心的，作为京津同盟会暗杀机关部部长，彭家珍早已将生死完全置之度外。

彭家珍的暗杀计划非常周密。一天，彭家珍到西河沿金台旅馆去办事，一进入客厅，就发现桌子上放有一张名片，有“奉天讲武堂监督崇恭”字样，彭家珍心中一动，便将这张名片揣入口袋。又装着拜会崇恭的样子去找茶坊打听“崇恭大人在吗”？茶坊见彭家珍仪表堂堂，十分恭敬地说：“已经来此住了好几天，已去保定公干，过两天就回来。”彭家珍点点头，匆匆离开。对于崇恭，彭家珍是熟悉的，在担任奉天讲武堂教练时，崇恭就为监督。彭家珍知道崇恭和良弼关系不错，这正是一个接近良弼的绝好机会。如同一团火，点燃了彭家珍心中的全盘暗杀计划。彭家珍遍访良弼住宅位置，终于弄清了具体住址。

毫无疑问，古代的侠士精神一直咆哮在彭家珍的血脉里。在彭家珍写下的《彭家珍遗同志赵铁桥黄以镛书》中，就充分展示了他的壮怀激烈：

铁桥、斗寅兄珍重：“谈心把臂，几历星霜，胶漆情投，鲍叔知我，生离犹悲，宁论死别。去矣去矣，来日大难，两兄努力，弟其长此终古也！夫虎穴探子，龙颔求珠，命等鸿毛，身游羿彀。设不幸而荆卿剑击廷柱，子房锥中副车，则伍孚刎颈，景清剥肤，宰割凌迟之惨所不免矣。即或鲸鲵翦戳，蛇豕就诛，卫士必将攫入，重门岂能飞渡？聂政抉眼，锡麟煎心，呼吸危亡，祸至无日。况炸丸猛烈，玉石俱焚，杀我杀人，同归死路。综此三端，弟宁有生还望乎？呜呼！已矣！易水风寒，二兄不必为白衣冠之送矣！山河破碎，大陆将沉，祖逖闻鸡，刘锟击楫，楼船风利，正当努力中原。寄来像片二，异日神州光复，厘整天衢，二兄触目兴怀，当思我辈痛饮黄龙，亦犹有同心合志之故人含笑于九京乎”！

1912年1月25日行刺前一天，彭家珍又写下《绝命书》：

诸同志兄弟姊妹鉴：“自入中国同盟会以来，不敢不稍尽责任，惜才力薄弱，未见大效，抱愧奚如，前在东三省，即欲尽个人主义去赵尔巽，然不过对四川一省起见，义稍狭隘，竟未实行，此次各省起义，北方尚未响应，实满奴汉奸势力之下不易着手之故，欲去之久矣，适诸兄弟姊妹正在经营一切，不忍即弃，然奔走北方，迄今两月，大局尚不能定，不佞才薄，愿为其易，决计仍行个人主义。初本欲炸资政院各王公，为一网打尽之计。方觅得入场券，而该院适散会，因是不果。袁世凯被炸，同时有主张共和之耗，惟以亲贵反对最力，而其中之重要人物，有军事智识且极阴狠者为良弼。此人不除，共和必难成立，则此后生民涂炭，尚何堪设想乎？呜呼！吾党抱拯救同胞之心肠，计自川鄂起义以来，同胞死者何可胜数。因一二人之执拗，又复兴战，兵连祸结，何时可已？除良弼之心已决，计划已备，只待事机发动。呜呼！或者与诸兄弟姊妹从此永别矣。诸君，诸君，勿悲！勿悲！二十年后又当成一健儿也。共和成，虽死亦荣。共和不成，虽生亦辱。与其生受辱，不如死得荣。去矣！前途艰难，望诸兄弟姊妹和衷共济，努力为之，期达目的而后已。幸勿各起意见，致碍一切。吾人作事，不求有功，只求无过，若诸君欲从获过一方面着手，则非所愿见也。前与诸君商议，不免有过激之谈，望谅之！此皮包内余龙洋二百元，账簿一册，乞交某君为荷。临书仓卒，不尽，即叩劳安”！弟彭家珍顿首，初辰刻

彭家珍的这两封遗书，字字血泪，弥漫着高立于天地之间的凛冽正气。志，气之帅也；气，体之充也。以敢死之气，征求革命之初志，这才是真正的侠之大者！

实施暗杀之际，为了确保万无一失，彭家珍身上带有两枚炸弹，穿好从永增军装局取回的军官制服，自称是清军标统，到前门附近的金台旅馆定下了房间。1912年1月26日彭家珍先到前门军咨府，这是满清贵胄们聚会的地方，但未见到良弼。又在晚间驱车直奔北京西四北红罗厂良弼的官邸，递上崇恭的名片，恰巧良弼赴摄政王府密议镇压革命之事而未归。府上仆人将彭家珍引到客厅等候，然而直至深夜未见良弼归来，彭家珍决定出去寻找良弼。当彭家珍刚刚走出良弼府邸大门，恰逢良弼乘轿而归。当良弼刚从轿子里迈下一只脚，就看见一个身穿清军官服的英武青年迎上前来，递上一张名片却不说话，而是挡在轿前，阻住去路。良弼并不认识眼前这个目光炯炯的年轻人，心知有异，急令抬轿进府，但一切为时已晚！彭家珍迅速从怀里取出一枚炸弹，向地面狠狠砸去，巨响震耳，良弼应声倒地，左腿当即被炸断，血流如注，两天后抢救无效毙命。良弼临死前哀叹：“炸我者，真大英雄也，朝廷不识我，惟此人识我，真吾知己也。我死，大清亦随之亡也”。而不幸的是，爆炸中，一块弹片也击中彭家珍的后脑，彭家珍当场壮烈牺牲。后来，人们从彭家珍的遗体上发现，他牺牲时左手还放在另一个外衣口袋里，紧握着另一枚用白绸手巾包裹的炸弹。可见，其决心之坚，心思之细。彭家珍实现了自己的誓言，明知必死而勇往直前，以一己之力刺元凶首恶于宅门，挽共和于危难，加速南北统一，为无数黎民挡下了行将燃烧的战火，避免了一场生灵涂炭。什么是英雄？这就是英雄！是当之无愧的侠之大者！

烈士的鲜血没有白流。在暗杀行动十多天后，满清政府被迫下诏宣布退位，中国两千多年的封建帝制从此终结。“共和成，虽死亦荣。共和不成，虽生亦辱。与其生受辱，不如死得荣。”彭家珍烈士应该死而无憾了。

暗杀政治首脑人物历来是政治斗争的常用手段，在当时的特殊情势下，中国同盟会的这一非常暗杀勋迹，确实使局面顿然改观，迫使历史拐弯。也是促进革命、缔造民国之一大功，不亚于一次重大战役的胜利。孙中山大总统高度评价彭家珍：“诛除大憝以收统一速效之功”，并为彭家珍题词“我老彭收功弹丸”，追赠彭家珍为陆军大将军。孙中山大总统还亲自参加彭家珍追悼仪式并批准为其修建专祠。蒋介石为彭家珍题词“英姿飒爽”。孔祥熙题词“万古长青”。李宗仁题词“浩然正气”。冯玉祥题词“民族英雄”。美国史学大师魏斐德在《间谍王——戴笠与中国特工》一书中认为，关于革命志士行刺的概念既来自于国际革命新世界，也是对古代富于忠义和自我牺牲精神，并发誓为其主人报仇雪恨的游侠传统的沿袭。从1907年徐锡麟刺杀安徽巡抚恩铭到1911年温生才暗杀孚琦和李沛基暗杀凤山，再到1912年1月彭家珍暗杀良弼，尽管每一事件的起因有所不同，但这些暗杀行动或多或少都继承了上述两个传统。中华人民共和国成立后，毛泽东在1953年签发给彭家珍家属《革命牺牲军人家属光荣纪念证》，表彰彭家珍“丰功伟绩，永垂不朽”。