1938年1月8日，白求恩率加美援华队乘“亚洲女皇号”邮轮，自加拿大温哥华港启程来华，支援中国人民的抗日战争。白求恩队周恩来说“我来中国是要到解放前工作的，现在抗战形式紧迫，请你尽快安排我到前线去。”周恩来考虑到从延安去晋察冀更安全些，他建议白求恩一行北上延安再前往前线。可是，这一路并不容易，白求恩一行数十辆大车运送医疗队物资的车队，上有敌机，下有追兵，20多头骡子被炸死炸伤，数人受伤。为了躲避敌机，他们只能深夜赶路。
白求恩在日记中写道“我们和紧跟在后面的日军之间没有一点遮拦，这实在使人毛骨悚然。3月7日，他们终于度过黄河。3月22日，白求恩在西安见到了八路军总司令朱德。在延安，白求恩每天早晨都要爬山或者散步，唱着西班牙歌曲，显得格外精神，充满着青春的活力。
在延安，白求恩还为抗日军政大学、延安工学院、东北干部训练团作了报告。
当八路军卫生部顾问马海德医生热情陪同白求恩视察了延安的医院和卫生学校，真诚地表示他们需要他，并为了安全，希望他能留在延安。白求恩说：“我不是为享受生活而来的。什么热咖啡，嫩牛肉，软绵的钢丝床，这些东西我早就有了！但为了理想，我都抛弃了！需要特别照顾的是伤员，而不是我.”“我为我的鲁莽道歉，但你们也要向拄着拐杖的伤员道歉。”面对倔强的白求恩，卫生部的同志只好报请中央批准，同意他去晋察冀前线。
1938年5月14日，白求恩大夫带着17头牲口驮着的器械、药品，由卫生部长姜齐贤陪同，首先来到陕西省神木县贺家川一二〇师后方的医院第三所，在这里连续工作了5天，为50多名重伤员做了手术，帮忙搭建了一个手术室，解决了一些医疗器械问题，还给医务人员上课，提高换药技术。
白求恩到达晋察冀前线之时，正是中国抗日战争困难之际。在日伪军的军事进攻贺经济封锁下，八路军指战员有时只能用马饲料充饥，就算大家特意优待的白求恩也只能用土豆果腹，艰苦程度可想而知！
在来中国之前，美国援华会贺加拿大共产党答应定期向中国提供必要的物资和资金。但白求恩一行来中国后，说好的自助却不见了踪影，他发出的所有求助信件都石沉大海。为此，白求恩决定回国一趟，主要是为了筹措资金和补充药品，顺便暂时修养和缓解乡愁。因为在1939年夏，他的左耳失聪，并在短时间内连续两次严重感染，引发高烧，抵抗力已经非常差了。
然而，就在白求恩的回国之旅即将成行时，1939年10月底，驻华日军调集两万重兵，配以飞机、大炮和装甲车，在杀人狂魔阿部规秀的指挥下，穷凶极恶地对我晋察冀边区发动了冬季大扫荡。白求恩毅然推迟里回国计划。
三十白求恩最终没能等到启程回国的那一天。1939年10月27日晚，白求恩组成临时医疗队赶赴前线，准备救治摩天岭战役的伤员。医疗队将手术室设在村外的小庙里。伤员被一个接一个抬上手术台，手术之后又一个接一个被转送到后方。小庙重紧张、忙碌却秩序井然，所有人全然忘记山区深秋的寒冷。最后一个腿部受伤的年轻战士被抬上手术台已经是第二天里，10月28日，他叫朱德士，大腿粉碎性骨折。当时杂乱的枪声已经到了村边，他恳求白大夫“不要管我，马上转移。”白求恩不假思索地把左手中指伸进伤口掏取碎骨，却不小心扎破手指，他将手指简单包扎后，又继续处理伤员，直到缝完最后一针，才离开孙家庄。
手指划伤感染的次日，他忍着剧痛在一个分区医院连续两天检查了两个医疗所的工作，做了几十个手术，讲了两次现场课。感染的第5天，在给一名颈部患单独合并蜂窝组织炎伤员做手术时，他左手中指受伤处被病毒侵袭，受到致命的第二次感染，很快出现全身症状，高烧40度，呕吐不止。此后的十多天，他却继续摇摇晃晃地骑在马背上，往来于前线辗转于后方，从事巡视工作，不停地为伤员做手术，高烧到没有一点儿力气，才被抬离战地。
有的人不理解他被感染最终酿成败血症，痛惜他作为一名医生怎么不知道保护自己呢？做手术为什么不戴手套呢？要知道，当时的中国处于全面抗战时期，晋察冀边区地处敌人包围之中，生活条件异常困难，物资也奇缺，白求恩带来的手套，早在成百上千的手术中用完了。
1939年11月11日早晨，他用尽最后的力气，用颤抖的手给聂荣臻司令员写下最后一封信，让聂荣臻转告加拿大共产党书记、国际援华委员会、加拿大和平联盟：“告诉他们我在这里十分快乐，我唯一的希望就是能够多有贡献。”晚上，他多次昏迷，当他最后一次苏醒时，看到满屋神情紧张、伤心落泪的人们，安详地微笑着，抬高了头，坚定地说：“不要难过，我多么不愿离开你们啊，努力吧，向着伟大的路，开辟前面的事业。”
白求恩逝去了，他的战友、他的病人，所有认识他、听说过他的人全都悲痛万分。鹅毛大雪下，战士们满怀悲痛之情连夜将他的遗体送到后方。11月17日，为他举行了隆重的追悼会，聂荣臻司令员亲手为他装棺入殓，这位钢铁将军忍不住失声恸哭。21日，消息才传回延安，毛泽东非常悲痛，他立即以中共中央的名义发出唁电和对白求恩家属的慰问电。12月1日，在延安举行追悼大会，毛泽东亲自提写挽联，20天后的12月21日，毛泽东彻夜未眠，写出《纪念白求恩》一文，号召全党向他学习。
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