1928年4月，被选为中共陕北特委候补委员，兼任中共绥德县委书记；年底，担任中共陕北特委宣传委员兼米脂县委书记。1929年2月，召开的中共陕北特委第一次扩大会议上，当选为中共陕北特委执行委员和常务委员，仍兼米脂县委书记。以教员身份为掩护，深入工人、农民和学生中，开展工作。根据陕北人民爱闹秧歌的习惯，编写革命的秧歌词，发挥书法特长，大书革命意义的条幅、对联等，以多种形式宣传革命，发动发众，培养和引导大批青年投身革命。
在米脂，他的公开身份是米脂三民二中教员，因此还兼任中共二中支部书记。那年，陕北闹饥荒，他组织饥民进行反饥饿斗争，并征得进步校长杜立亭支持，召开师生大会进行声援。白在会上讲话，揭露官绅勾结压榨百姓的罪行，号召大家援助饥民斗争。米脂县政府派兵镇压，包围了三民二中。在中共米脂县委领导下，白一边选派学生去做围校士兵的工作，一边发动其他学校的学生和市民示威游行，还到县政府说理。县长张仲瑜怕事情闹大了，只好让军队撤离学校。
1929年春，主持中共陕北特委扩大会议，对右倾投降主义进行了严肃的批评和斗争，撤销了持错误观点的代理特委书记杨国栋的职务，选举刘志丹为特委军委书记，确定加强党对武装斗争和农民斗争的领导、积极开展土地革命斗争的路线。
1930年春，白因病回清涧休养，不久又调任绥德县委书记，仍担任中共陕北特委委员。同年秋，奉命赴天津、北平，在中共河北省委从事党的秘密工作。 因为对中共六届四中全会后复杂的党内斗争缺乏了解，被阴谋分裂党的河北省紧急会议筹备处派回陕北传达他们的“决议”。由于中共陕北特委明确表示反对河北省紧急会议筹备处，不同意在陕北地区传播分裂的观点，没有造成影响。同年元宵节后，白因叛徒告密在清涧县城被捕，押解至榆林关押。国民党陕西省党部特派员宋志先和榆林县党部书记长孙士英亲自审问，指望打开缺口，彻底破坏中共陕北特委和陕北各地的中共组织。他们在威胁利诱失败后，使用灌辣椒水、上老虎凳等酷刑逼供。白虽一次次昏死过去，鲜血喷溅墙头，但坚不屈服。敌人无计可施，将白判处七年徒刑，投入陕西省第三监狱。1932年1月21日，在敌人绞刑架下，自豪地说：“杀我白明善不算什么，共产党人是杀不完的。”英勇就义。
