国民党得知特科曾在枫林桥布阵劫车，十分恐慌，蒋介石急电就地处决彭湃等人。8月30日，彭湃等即遭枪杀。消息传来，全党悲愤，周恩来亲自草拟了《彭杨颜邢四同志被敌人捕杀经过》、《中国共产党反对国民党屠杀工农领袖宣言》、《以群众的革命斗争回答反革命的屠杀》等文，号召人们“踏着死难烈士的血迹，一直向前努力，一直向前斗争！”同时明令：“一定要把叛徒白鑫干掉。”

特科又通过杨登瀛了解白鑫的行踪，侦知他企图逃往南京。周恩来指示不能让其逃脱，制裁要坚决执行。白鑫自知必成红队追杀的对象，在国民党特务范争波、范争洛等严密护卫下深居不出。

9月初，白鑫突然出现在作为中共中央重要联络点的达生医院，原来他患了疟疾。白鑫本与医院主管医生柯麟相识，但不知他是中共地下党员。柯麟在为他开罢药方后，试图将白稳在医院，乘机发出消息，可狡猾的白鑫见柯麟离开诊室，随即不辞而别。

柯麟经诊断，认为白的病尚需几个疗程才能好，特科遂策划在白鑫再次到达生医院就医时行刺。然而，白鑫再也没外出就医，只是请柯麟只身到他的住所为其诊治。时隔月余，杨登瀛传来确信，白最终确定将于11月11日逃往意大利避风。周恩来决定，叛徒的死期就是他动身的那一天。

顾顺章、陈赓和谭忠余研究了严密的行动计划，由谭忠余等10名红队队员在白鑫住宿的范公馆附近，用手枪射杀白鑫，然后迅速撤离。

11月11日午后，由顾顺章亲自指挥，陈赓、谭忠余等潜入白鑫住所周围的弄堂，分别装扮成小贩、修补匠、送衣人或过路者。入夜10点，公馆附近寂静冷清，两辆车开到公馆门前，保镖和佣人搬运行李忙活了好一阵，可白鑫仍未露面。

约摸一小时后，有六七个人从公馆后门走出，白鑫也在其中，红队队员迅速扑过去向白鑫射击。由于夹裹在人群之中，白鑫没有被第一排子弹击中。他顿时意识到大难临头了，一面拨枪还击，一面狂奔夺路而逃。

白鑫的保镖随即开枪抵抗，看门的巡捕也前来护卫，一时枪声大作。枪战中，负责保护白鑫的国民党上海市党部执行委员范争波，身中三枪，重伤倒地；其弟范争洛连中六弹，当即毙命；巡捕中亦有人被打死。

三名红队队员对狂奔的白鑫紧追不舍，终于在他跑出二十多个门院时，将他击倒，其中一颗致命的子弹，由前额洞穿后脑。

白鑫在众多保镖护卫之下，仍然未能逃脱中共特科的追杀，使整个上海震惊。数十家报纸争相报道白鑫被击毙一事。有的报纸还用红色标题大加渲染，称之为“东方第一大暗杀”。