中国抗日战争爆发后，受加拿大共产党和美国共产党的派遣，白求恩率领由加拿大人和美国人组成的医疗队于1938年3月底到达延安。在延安，毛泽东主席同他进行了亲切的交谈。6月，白求恩率援华医疗队转赴晋察冀边区工作，到达晋察冀军区驻地唐县和家庄村，受聂荣臻司令员聘请担任军区卫生部顾问。
白求恩克服种种困难，致力于改进部队的医疗技术工作和战地救治环境。组织制作各种医疗器材，亲自编写战地医疗教材和图解手册;创办卫生学校，组织医务干部实习，培养训练了大批医疗人员和医务干部;把军区后方医院建设成为模范医院。他倡议成立特种外科医院和“马背医院”;为了减轻伤员的痛苦与减少残疾，他把手术台设在离火线最近的地方；他还倡议成立并参加了志愿输血队，为了挽救垂危伤员，曾数次献血。
1939年2月，白求恩率“东征医疗队”到冀中前线救治伤员，不顾日军炮火威胁，连续工作69小时，给115名伤员做了手术。白求恩在前线，曾多次给毛泽东写信，汇报他的工作情况，对医疗工作提出不少建议。毛泽东也非常关心白求恩的工作和生活，对其建议、能力完全信任。
1939年10月下旬，白求恩在涞源县孙家庄小庙因抢救伤员感染中毒。11月4日，白求恩向一分区司令员杨成武请战，托着因病毒感染，高烧不退的身体，率领战地医疗队再次投入到黄土岭战役伤病员的紧张抢救中。直到11月10日，他的病情恶化，高烧达40度，才在杨成武的命令下离开战地手术室，向后方医院转移。于11月12日在唐县黄石口村逝世。11月17日，晋察冀边区机关和驻地群众为他举行隆重葬礼。12月21日毛泽东发表《纪念白求恩》一文，指出白求恩同志是加拿大共产党员，五十多岁了，为了帮助中国的抗日战争，不幸以身殉职。每一个共产党员，一定要学习白求恩同志的这种真正共产主义者的精神。
1990年6月28日，涞源县人民政府将白求恩战地手术室公布为县级文物保护单位。1995年8月，由共青团涞源县委、共青团天津市河东区委联合筹资，对白求恩战地手术室进行了维修，为白求恩立汉白玉雕像1座。2007年10月，县政府投资91万元在白求恩战地手术室左侧修建白求恩战地手术室纪念展室。2018在河北省审计厅的大力支持下，10月17日涞源县举行白求恩战地手术室展馆开馆仪式。
