西班牙内战和中国抗战都具有反法西斯主义的性质,因此,当时有不少人将这两场战争相比较。白求恩同样认为,中国人民和西班牙人民要对付的实际上是“同一个敌人”,所以他才来到中国,完成在西班牙未竟的事业。在汉口,白求恩了解到日军飞机时常对这座城市进行狂轰滥炸,经过半年多的高度战斗,中国空军已经损失惨重,面临严重的人员和装备短缺问题,用于防空的高射炮也比较稀少,空域几乎向敌人敞开,日机肆无忌惮地在城市上空盘旋,随心所欲地选择打击目标,武汉军民深受其害。
到达武汉的第二周,经美国记者史沫特莱牵线,白求恩认识了当时在汉阳天主堂主持工作的爱尔兰神父高尔文,白求恩和尤恩护士一行随即在汉阳显正街高隆庞修女会诊所(今武汉市第五医院前身)开展伤员救治工作。一进入诊所,他们发现这里毫无秩序,医务人员所剩无几;病床很少,许多病人就躺在地上,无人照料。而大厅里挤满了伤员,有些人还没有来得及医治就停止了呼吸,两个小孩站在父母的尸体旁吓得大哭。由于没有保洁人员,地板上到处都是血渍、粪便和手术垃圾,空气中弥漫着一股恶臭。这比白求恩在西班牙战地医院见到的情景更糟糕,毫无战争经验的尤恩护士来说更是惊得瞠目结舌。见此情形,白求恩立刻投入紧张的伤员的救治工作中。在高隆庞修女会诊所,他连续奋战七天七夜,为在日机大轰炸中受伤的武汉军民止血、取弹片、做手术,挽救了众多的生命。
白求恩拒绝了国民政府想让他留在武汉的邀请,在八路军武汉办事处一间简陋的办公室里,他与周恩来、邓颖超夫妇见了面。白求恩从报纸上早就知道了周恩来,他激动地握住周恩来的手,急切地问:“我能不能直接到陕西去呢?”周恩来微笑着说:“你为什么要到陕西去呢?”白求恩回答道:“我来之前就知道那里打了胜仗,是抗日的前线。我是个军医,应该到战斗最激烈的地方去!”周恩来很赞赏白求恩的想法,但表示前线的条件很艰苦,担心白求恩不能适应,希望他先在武汉工作一段时间。白求恩坚定地说:“武汉不是我的目的地,我要到延安去,到中国共产党领导的根据地去。”在周恩来的帮助下,1938年2月22日,白求恩一行启程去延安。
1938年3月31日,白求恩历尽艰辛,终于到达了心之所向的革命圣地延安。安顿完毕后的次日傍晚,在凤凰山毛泽东住处,他郑重递交党证,然后详细说明他的工作计划,请求被派到前线去。在晋察冀边区抗日前线,他同八路军士兵、乡村老百姓一样,穿草鞋和粗布衣裳,吃玉米棒子和山药蛋。有个翻译劝他说:“你是军区卫生顾问,贡献比我们大得多,吃好点,保证身体健康,也不算特殊。”白求恩却说:“贡献也不是银行里的存折,贡献大就应当向人民伸手要更多的利息。我是个共产主义战士,怎能向党、向人民要求特殊呢?”在抗日前线,白求恩本着“一切为伤员着想”的原则,废寝忘食地工作,从不顾及个人安危。他的救护所总设在离前线最近的地方,一旦战斗打响,白求恩往往在手术台前一站就是几十个小时。手术室外枪炮大作,白求恩却岿然不动,敌军迫近,他也要坚持为伤员做手术到最后一刻才撤离。
1939年9月,前线医疗物资紧缺,就连手术用的橡胶手套都无从寻找,白求恩只能赤手为伤员做手术。于是,他决定回国筹措经费和药品,并通过媒体向国际社会揭露日军的侵华罪行,启程时间定于10月21日。然而,10月日军发动大规模冬季“扫荡”,白求恩临时决定推迟回国行程,同战友们并肩战斗。在一次手术中,白求恩大夫不慎割破了自己的手指,但他不顾伤口感染,坚持给伤员做手术,不久后,白求恩的伤势恶化,感染了败血症。1939年11月12日,白求恩因医治无效在河北省唐县黄石口村殉职,终年49岁。