Как бы там ни было, весной 1909 года Богров возвратился в Киев и сразу же попал под негласное наблюдение охранного отделения. Однако поведение молодого человека было безупречным: он всерьез занялся учебой. В феврале 1910 года, получив диплом Киевского университета, Дмитрий снова уехал в Париж. Вернулся он домой лишь через год и поселился в доме своих родителей. Но интерес охранки к Богрову не утих, в дело была пущена активная агентурная разработка, которая не дала ничего нового: установить какие-либо конкретные факты его антиправительственной деятельности долгое время не удавалось. Настораживало, правда, то, что поднадзорный несколько раз встречался с анархистом-террористом Муравьевым, состоявшим на учете в полиции. Муравьев проживал в Киеве под вымышленным именем и готовился эмигрировать за границу. Наблюдение осложнялось и особенностями характера самого Богрова: этот крайне замкнутый, нервный, упрямый и довольно агрессивный человек с большой неохотой шел на контакт с посторонними людьми, хотя и производил впечатление личности, способной на самые непредсказуемые действия. Письма будущего палача Столыпина, датированные 1906–1908 годами, пронизаны странной усталостью и отсутствием всякого интереса к жизни. Он часто говорил о тоске, скуке и одиночестве, о том, что работа присяжного поверенного ему опостылила. Богров жаловался приятелю, что ему надоело все и хочется совершить что-нибудь из ряда вон выходящее.
Стремление свое террорист осуществил 1 сентября 1911 года. В тот день он проник в Киевский оперный театр, где должна была состояться премьера оперы «Сказка о царе Салтане». На представлении присутствовал Столыпин, к убийству которого террорист долго и тщательно готовился.
В самом начале второго акта, подойдя к премьер-министру, Богров дважды выстрелил в него из револьвера. Интересно, что сам звук выстрелов услыхали немногие. В зале стоял общий шум, так что большинство присутствующих попросту не обратили внимание на негромкий треск. Однако стоявшие вблизи люди подняли крик, и через несколько мгновений внимание присутствующих сосредоточилось на Столыпине, в зале воцарилась тишина. Пострадавший как будто не сразу понял, что произошло. Он с удивлением рассматривал свой белый сюртук, который с правой стороны начинала заливать кровь из ран.
Богров же в это время пробирался к выходу из зала. Еще немного, и ему удалось бы беспрепятственно покинуть место преступления. И только в партере преступнику загородили проход. Один из зрителей кинулся на него, и это словно сняло оцепенение с присутствующих. Через несколько секунд к террористу сбежались не только молодые люди, но и старики. Богрова стали бить кулаками, шпагами и шашками. Вероятнее всего, судить вскоре было бы просто некого… Но в театр возвратился полковник Спиридович, пробился через толпу и объявил Богрова арестованным, тем самым предотвратив самосуд. Сам террорист к этому моменту имел весьма жалкий вид: одежда его была порвана, лицо в багрово-синих кровоподтеках, изо рта у него шла кровь.
Столыпина спешно перенесли в одну из комнат театра, чтобы иметь возможность осмотреть его и перевязать рану. Здесь выяснилось, что убийца был метким стрелком, а от мгновенной смерти премьера спасла случайность: первая пуля попала в крест Святого Владимира, раздробила его и ушла в сторону от сердца. Однако она все же пробила грудную клетку, разворотив плевру, грудобрюшную преграду и печень. Вторая пуля пронзила кисть левой руки. Врачи срочно поместили раненого в клинику доктора Маковского, но сделать что-либо для спасения жизни сановного пациента оказались бессильны. Столыпин пережил четыре дня мучительной агонии. Под конец он впал в забытье, из которого уже не вышел. 5 сентября врачи констатировали его смерть. После вскрытия тела было установлено, что убийца использовал разрывные пули.
Богрову же предстояло прожить еще неделю. Хотя при попытке самосуда толпы он получил увечья, но на допросах держался с достоинством, демонстрируя редкое хладнокровие. Он утверждал, что является анархистом по убеждению, а покушение подготовил и осуществил в одиночку. На все последующие вопросы убийца отвечать отказался. Добиться от него каких-либо новых сведений следователи так и не смогли, и дело было передано в суд. 9 сентября состоялось закрытое заседание Киевского военно-окружного суда по делу Богрова. Адвокат в процессе участия не принимал, поскольку террорист сам отказался от защиты. Рассмотрение дела заняло всего лишь три часа, а на совещание судей перед вынесением приговора ушло лишь 20 минут. Богрова приговорили к смертной казни через повешение. Но и это не поколебало самообладания убийцы. Он был удивительно спокоен, а обжаловать приговор или подавать прошение о помиловании категорически отказался.