1938年7月，桂芳從神府調回延安。不久，誌願報名參加了由李井泉同誌率領的開辟綏遠青山工作的工作團。當工作團到達綏遠涼城縣營盤梁時，遭到日寇和偽蒙軍的大舉進攻。李桂芳同4名女遊擊隊員，攜帶3支步槍，1支獵槍，經過一整夜的激烈戰鬥，衝破敵人重圍，安全轉移到山西省左雲縣吳家窯村。由於作戰疲勞過度，有些同誌病體難撐，不能隨工作團繼續前進，她和部分戰友隻好留在中共晉綏邊特委（雁北地委前身）休養待命。約月餘後接受地方安排，擔任左右涼縣婦救會秘書（主任），經常活動在左右涼縣，出其不意地打擊敵人。有一次，敵人襲擊廠漢營區，正在這裏進行抗日宣傳工作的李桂芳沉著冷靜，機智勇敢地掩護群眾安全轉移，指揮遊擊隊把燒殺廠漢營二蠻子溝村的敵人趕跑後，立即組織力量，從熊熊燃燒的房屋中，救出十多個老人和孩子。此後，她每到這裏，孩子們都親切呼喚：“李姨姨回來了！”群眾把她當成救命恩人，爭相拉她回家作客。後來，她領導的遊擊隊已經發展成為80多人的涼和清縣遊擊大隊，她正式擔任大隊長。
1939年春，李桂芳調任晉綏邊地區婦救會秘書，後又調雁北婦聯工作。1940年3月，日本侵略者從左雲、右玉、平魯、井坪、朔縣、岱嶽調集2000餘兵力，六路出動向晉綏邊地區抗日根據地發動了瘋狂的第八次圍剿。當時，雁北婦救會正集中縣、區婦救會幹部，在右山懷縣張崖溝村召開全區婦女工作會議。
得知敵人進犯的消息後，地委和專署領導十分關心參加會議的婦聯幹部的安全，要求他們趕快組織轉移或者分散隱蔽。李桂芳考慮到這次會議是全區第一次大型婦女工作會議，既要傳達上級的指示精神，又要研究布置今後的工作，擔心分散後一時集中不起來，影響工作。根據以往幾次在煤窯下麵躲過敵人圍剿的經驗，主張下煤窯隱蔽。五日淩晨，李桂芳指揮全體婦女幹部轉移到張崖溝底的煤窯裏。當天早上，一股日偽軍闖進張崖溝村，反複搜查一無所獲，正準備灰溜溜地撤退時，由於漢奸告密，直撲隱蔽的煤窯口，慘無人道地向窯內施放了毒瓦斯，致使李桂芳等11名婦女幹部中毒遇難。
為了悼念死難烈士，3月11日，五分區、十一專署、群眾團體及附近各村抗日群眾，在張崖溝村舉行了隆重的人民軍隊追悼大會，晉綏邊地區黨政軍負責人及各縣代表到會致哀。烈士的遺體安葬在村東的大坡上，並將張崖溝改為烈士溝，以示永遠紀念。
白家辛莊慘案
1941年秋，在日軍的不斷圍攻與封鎖下，根據地開始進入空前的困難時期。9月底，五地委、五專署、群眾團體等機關及婦女訓練班，從右南一帶轉移到了平魯西山，和平魯縣政府、群團機關及警衛部隊共300餘人，集中住到了白家辛莊村。
地委、專署的主要負責同誌都到下水頭參加五分區召開的第二次高幹會，在白家辛莊村各機關的工作便由地委秘書高明等人負責。而高明將地委領導的再三囑咐拋之腦後，機關在這裏住了四五天還沒有轉移的動向。地委機要秘書孟允中及各部門領導紛紛要求轉移，但高明置若罔聞。直到10月5日（農曆8月15）下午，高明還讓大家排演節目，要“歡度佳節”。把韓彥如同誌編寫的《反掃蕩》小劇讓孟允中、新民等同誌排練，準備晚上演出。正好右玉縣十一連一排30餘人，到後方領棉衣返回，也住到白家辛莊村。就在我方300餘人按高明等人的錯誤主張準備歡度佳節的時候，日偽密探張德華等人探聽到了這一情報，向偽警備股的張丙南作了報告。張丙南把這一情報寫成材料，由翻譯官張國順報告了日寇。
日寇得到這一情況後，立即集中了平魯城內的警備隊、警察共300餘日偽軍，連夜向白家辛莊進發。
晚上10點左右，駐白家辛莊的地、縣機關幹部、戰士和本村群眾集中在廟院裏，開始演出節目，當時派了一名戰士到通往平魯城的路上警戒。不料這名戰士被前來的日寇俘獲，為了保全性命，在敵人的威逼利誘下，全部招供了我黨、政、軍、群團的情況，並為敵人帶路。敵人分路包圍了村莊。
半夜時分，包圍村莊的敵人被我哨兵發現，馬上開槍報警。頓時，白家辛莊四周槍聲大作，機槍、步槍、手榴彈響成一片。一場血腥的大屠殺開始了！
已經入睡的我幹部、戰士和群眾，被激烈的槍聲從夢中驚醒。由於大家沒有足夠的思想準備，加之地委、專署主要領導不在，機關單位很多，沒有統一指揮，聽到槍聲，便全衝到街上，和群眾混到了一起，整個村莊人聲嘈嘈，十分混亂。平魯縣公安局長時芒、山朔縣委組織部長王一平等同誌在指揮群眾突圍中倒在敵人的槍彈下。
駐在村西的右玉縣十一連一排，聽到槍聲後，指導員毛潤生（湖南人）和連長梁祥，兩人一齊衝到了院裏，全排戰士已自動集合。連長梁祥立即下達戰鬥命令：“跑步，占領文廟！”隨即，與指導員身先士卒，向村中的文廟衝去，想控製這個製高點，掩護地縣機關的同誌們和群眾突圍。不料，部隊剛到文廟附近，上麵即響起了密集的槍聲，打得戰士們抬不起頭來。排長張石成同誌中彈犧牲。部隊隻好撤回村裏，重新選擇突破口。經過觀察發現：東南方向山頭上的敵人火力較弱。梁祥同誌又命令部隊向東南山頭發起猛烈衝鋒。由於敵人占據了有利地形，許多戰士在衝鋒中中彈倒下，指導員毛潤生同誌也不幸犧牲。
駐在村中間和東部的地、縣機關幹部、地委訓練班婦女同誌，衝出院子後，和群眾一起順著村前的一條大溝跑下去。哪知道剛下溝還沒有來得及辨別方向，就被密集的槍聲所包圍。原來敵人早已在溝沿上架了機槍，設下陷井。幹部、群眾一下溝，就居高臨下，交叉掃射。許多優秀幹部和無辜群眾，倒在血泊之中。更為殘忍的就是，衝進溝裏的婦女同誌負傷後，毫無人性的日寇軍官，竟對他們進行了強奸，奸汙後又下毒手……
血腥的屠殺一直持續到16日（農曆八月十六）上午10點多鍾。正在東水窪休整的我六支隊步二營聽到消息後，幹部戰士心急如焚，急行軍跑步15裏趕到白家辛莊村。沒有來得及偵察敵情、觀察地形，便由兩個連掩護，一個連撲向敵人，投入戰鬥。
這時，敵人正得意忘形，大模大樣地“打掃戰場”，被突如其來的槍彈打得暈頭轉向，趕緊向村裏龜縮。看到一個個慘死的戰友和群眾，我幹部、戰士眼睛都紅了，恨不得將敵人全活剝生吞。他們尾追進村，憤怒的槍口射出複仇的子彈。但敵人依據有利地形，又組織了反攻，我一部分戰士壯烈犧牲。擔任掩護的兩個連也投入了戰鬥，將衝入村裏的大部同誌接出來。然後重新組織力量，占據有利地形，向敵進行了猛烈的進攻。下午3點多，敵人拖著20餘具日偽兵屍體，撤回了平魯城。
敵人撤去後，地縣幹部和步二營的同誌紛紛返回白家辛莊，救護負傷的同誌。正在下水頭開會的地縣領導李登瀛、屈健等同誌也聞訊趕來。看著目不忍睹的慘景，大家泣不成聲。
10月9日，地縣機關幹部、戰士和當地群眾八百800餘人為殉難的130多名幹部、戰士及群眾召開了追悼會。