2011年7月23日19時30分左右，雷擊溫州南站沿線鐵路牽引供電接觸網或附近大地，通過大地的阻性耦合或空間感性耦合在信號電纜上產生浪湧電壓，在多次雷擊浪湧電壓和直流電流***同作用下，LKD2—T1型列控中心設備采集驅動單元采集電路電源回路中的保險管F2（以下簡稱列控中心保險管F2，額定值250伏、5安培）熔斷。熔斷前溫州南站列控中心管轄區間的軌道無車占用，因溫州南站列控中心設備的嚴重缺陷，導致後續時段實際有車占用時，列控中心設備仍按照熔斷前無車占用狀態進行控制輸出，致使溫州南站列控中心設備控制的區間信號機錯誤升級保持綠燈狀態。
撞車地點
雷擊還造成軌道電路與列控中心信號傳輸的CAN總線阻抗下降，使5829AG軌道電路與列控中心的通信出現故障，造成5829AG軌道電路發碼異常，在無碼、檢測碼、綠黃碼間無規律變化，在溫州南站計算機聯鎖終端顯示永嘉站至溫州南站下行線三接近（以下簡稱下行三接近，即5829AG區段）“紅光帶”。
19時39分，溫州南站車站值班員臧凱看到“紅光帶”故障後，立即通過電話向上海鐵路局調度所列車調度員張華匯報了“紅光帶”故障情況，並通知電務、工務人員檢查維修。甌海信號工區溫州南站電務應急值守人員滕安賜接到故障通知後，於19時40分趕到行車室，確認設備故障屬實後，在《行車設備檢查登記簿》（運統—46）上登記，並立即向杭州電務段安全生產指揮中心進行了匯報。
19時45分左右，滕安賜進入機械室，發現6號移頻櫃有數個軌道電路出現報警紅燈。
事故現場清理(19張)19時55分左右，接到通知的溫州電務車間工程師陳旭軍、車間黨支部書記王曉、預備工班長丁良余3人到達溫州南站機械室，陳旭軍問滕安賜：“登記好了沒有？”滕安賜說：“好了。”陳旭軍要求滕安賜擔任駐站聯絡，隨即與王曉、丁良余進入機械室檢查，發現移頻櫃內軌道電路大面積出現報警紅燈（經調查，***15個軌道電路發送器、3個接收器及1個衰耗器指示燈出現報警紅燈），陳旭軍即用1個備用發送器及1個無故障的主備發送器中的備用發送器替代S1LQG及5829AG兩個主備發送器均亮紅燈的軌道電路的備用發送器，采用單套設備先行恢復。
20時15分左右，陳旭軍通過詢問在行車室內的滕安賜，得知“紅光帶”已消除，即叫滕安賜準備銷記。滕安賜正準備銷記，此時5829AG“紅光帶”再次出現，王曉立即通知滕安賜不要銷記。陳旭軍將5829AG發送器取下重新安裝，工作燈點綠燈。隨後，杭州電務段調度沈華庚來電話讓陳旭軍檢查壹下其他設備。陳旭軍來到微機房，發現列控中心軌道電路接口單元右側最後兩塊通信板工作指示燈亮紅燈，便取下這兩塊板，同時取下右側第三塊的備用板插在第二塊板位置，此時其工作指示燈仍亮紅燈。陳旭軍立即（20時34分左右）向DMIS（調度指揮管理信息系統）工區詢問了可能的原因後，便回到機械室取下三個工作燈亮紅燈的接收器。此時列控中心軌道電路接口單元右側第二塊通信板工作指示燈亮綠燈，陳旭軍隨即將拆下來的兩塊通信板恢復到兩個空位置上，然後通信板工作指示燈亮綠燈。陳旭軍在微機室繼續觀察。
當地民眾自發救援(5張)至事故發生時，杭州電務段甌海工區電務人員未對溫州南站至甌海站上行線和永嘉站至溫州南站下行線故障處理情況進行銷記。
20時03分，溫州南站線路工區工長袁建軍在接到關於下行三接近“紅光帶”的通知後，帶領6名職工打開杭深線下行584公裏300米處的護網通道門並上道檢查。20時30分，經工務檢查人員檢查確認工務設備正常後，溫州南工務工區駐站聯絡員孔繁榮在《行車設備檢查登記簿》（運統—46）上進行了銷記：“溫州南～甌海間上行線，永嘉～溫州南下行線經工務人員徒步檢查，工務設備良好，交付使用。”
19時51分，D3115次列車進永嘉站3道停車（正點應當19時47分到，晚點4分），正常辦理客運業務。
19時54分，張華發現調度所調度集中終端（CTC）顯示與現場實際狀態不壹致（溫州南站下行三接近在溫州南站計算機連鎖終端顯示“紅光帶”，但調度所CTC沒有顯示“紅光帶”），即按規定布置永嘉站、溫州南站、甌海站將分散自律控制模式轉為非常站控模式。
20時09分，上海鐵路局調度所助理調度員楊向明通知D3115次列車司機何櫪：“溫州南站下行三接近有"紅光帶"，通過信號沒辦法開放，有可能機車信號接收白燈，停車後轉目視行車模式繼續行車。”司機又向張華進行了確認。
出事動車的車票
20時12分，D301次列車永嘉站1道停車等信號（正點應當19時36分通過，晚點36分）。
永嘉站至溫州南站***15.563公裏，其中永嘉站至5829AG長11.9公裏，5829AG長750米，5829AG至溫州南站長2.913公裏。
20時14分58秒，D3115次列車從永嘉站開車。
20時17分01秒，張華通知D3115次列車司機：“在區間遇紅燈即轉為目視行車模式後以低於20公裏/小時速度前進。”
20時21分22秒，D3115次列車運行到583公裏834米處（車頭所在位置，下同）。因5829AG軌道電路故障，觸發列車超速防護系統自動制動功能，列車制動滑行，於20時21分46秒停於584公裏115米處。
20時21分46秒至20時28分49秒，因軌道電路發碼異常，D3115次列車司機三次轉目視行車模式起車沒有成功。
20時22分22秒至20時27分57秒，D3115次列車司機6次呼叫列車調度員、溫州南站值班員3次呼叫D3115次列車司機，均未成功（經調查，20時17分至20時24分，張華在D3115次列車發出之後至D301次列車發出之前，確認了沿線其他車站設備情況，再次確認了溫州南站設備情況，了解了上行D3212次列車運行情況，接發了8趟列車）。
20時24分25秒，在永嘉站到溫州南站間自動閉塞行車方式未改變、永嘉站信號正常、符合自動閉塞區間列車追蹤放行條件的情況下，張華按規定命令D301次列車從永嘉站出發，駛向溫州南站。
20時26分12秒，張華問臧凱D3115次列車運行情況，臧凱回答說：“D3115次列車走到三接近區段了，但聯系不上D3115次列車司機，再繼續聯系。”
20時27分57秒，臧凱呼叫D3115次列車司機並通話，司機報告：“已行至距溫州南站兩個閉塞分區前面的區段，因機車綜合無線通信設備沒有信號，跟列車調度員壹直聯系不上，加之軌道電路信號異常跳變，轉目視行車模式不成功，將再次向列車調度員聯系報告。”臧凱回答：“知道了。”20時28分42秒通話結束。
20時28分43秒至28分51秒、28分54秒至29分02秒，D3115次列車司機兩次呼叫列車調度員不成功。
20時29分26秒，在停留7分40秒後，D3115次列車成功轉為目視行車模式啟動運行。
動車運行列表
20時29分32秒，D301次列車運行到582公裏497米處，溫州南站技教員幺曉強呼叫D301次列車司機並通話：“動車301妳註意運行，區間有車啊，區間有3115啊，妳現在註意運行啊，好不好啊？現在設備（通話未完即中斷）。”
此時，D301次列車進入軌道電路發生故障的5829AG軌道區段（經調查確認，司機采取了緊急制動措施）。20時30分05秒，D301次列車在583公裏831米處以99公裏/小時的速度與以16公裏/小時速度前行的D3115次列車發生追尾。事故造成D3115次列車第15、16位車輛脫軌，D301次列車第1至5位車輛脫軌（其中第2、3位車輛墜落甌江特大橋下，第4位車輛懸空，第1位車輛除走行部之外車頭及車體散落橋下；第1位車輛走行部壓在D3115次列車第16位車輛前半部，第5位車輛部分壓在D3115次列車第16位車輛後半部），動車組車輛報廢7輛、大破2輛、中破5輛、輕微小破15輛，事故路段接觸網塌網損壞、中斷上下行線行車32小時35分，造成40人死亡、172人受傷。[2-3]