常磐線三河島駅構内で、貨物線から進行方向右側の下り本線に進入しようとした田端操車場発水戸行の下り第287貨物列車（D51 364牽引、45両編成）が、出発信号機の停止信号を行き過ぎて安全側線に進入し脱線。先頭の機関車と次位のタンク車（タキ50044）が下り本線上に飛び出した。

その直後に、三河島駅を4分遅れで出発し下り本線を進行してきた上野発取手行きの下り第2117H電車（6両編成）が下り本線を塞いでいたタキ50044に衝突。先頭車（クモハ60005）と2両目の車両（クハ79396）が脱線し、上り本線上に飛び出した。

さらに約7分後、その現場に上野行きの上り第2000H電車（9両編成）が進入し、線路上に降りて移動中だった2117Hの乗客多数をはねた上、上り本線上に停止していた2117Hの先頭車と衝突した。これにより2117Hの先頭車と2両目の前部が原形を留めず粉砕された。上り2000Hは先頭車（クハニ67007）が原形を留めず粉砕され、2両目（モハ72549）は築堤下に転落して線路脇の倉庫に突っ込み、3両目（サハ17301）も築堤下に転落、4両目（モハ72635）が脱線した。

この結果、死者160人、負傷者296人を出す大惨事となった。

三河島事故（みかわしまじこ）は、1962年（昭和37年）5月3日21時37分頃、東京都荒川区の日本国有鉄道（国鉄）常磐線三河島駅構内で発生した列車脱線多重衝突事故である。「国鉄戦後五大事故」の一つ。