白鑫通過他在南京被服廠當廠長的哥哥聯繫上了國民黨上海黨部情報處長範爭波。在上海霞飛路和蒲石路之間的和合坊，白鑫與範爭波見面後表示自己以往是因一念之差而誤入歧途等。
範對白前來投靠當然十分歡喜。他安撫白鑫並要其戴罪立功。範爭波特別提出希望白鑫能想出辦法將彭湃捉住，還對他許以重金。白鑫一聽要他想辦法抓彭湃，感到正中下懷，認為是報殺弟之仇的時機到了。
同年8月，彭湃、楊殷等中共領導人在一次會議上因消息走漏而被捕，隨後被殺。中共特務負責人陳賡親去見國民黨特務機關駐上海特派員楊登瀛，搞清楚事發的原因。楊登瀛是上海灘上中共的臥底內線。陳賡很快從楊登瀛處獲取了白鑫投降的情報。而此時蔣介石已下達了處決彭湃等人的命令。當周恩來得知此系白鑫所為後，立即指示趕快暗殺這個黃埔學生，並派陳賡嚴密地監視白鑫的行蹤。
白鑫察覺危險，決定出國避風。蔣介石同意他去義大利避風。行前，白鑫住在國民黨上海特別市黨部執行委員範爭波的公館裡。範宅地處上海鬧市區法租界霞飛路。白鑫嚴密戒備，深居簡出。
陳賡準確偵知白鑫上船的日期和時間，周恩來到白鑫住所觀察地形，部署行動。9月14日，上海國民黨機關報《民國日報》故意放出煙幕彈說：「白鑫曾在黃埔學校畢業，前以受人之愚，誤入共黨，罪狀較輕，已由蔣主席負責保出，業於前日帶往南京，聽其戴罪立功，以觀後效。」 但中共特科（早期特工組織）知道，白鑫此時並未到南京。
中央特科命令楊登瀛瞭解白鑫的行蹤，同時，還利用以醫生職業作掩護的柯麟與白鑫的熟人關係，摸察白鑫的出沒情況。但白鑫非常敏感，他此時已不去找柯麟看病了，而是約柯到他的住處去。這樣特科殺手一時就難以下手。
周恩來隨即與殺手們商議，表明態度：一定要在白鑫前往南京或出國之前將其刺殺。根據計畫，陳賡、顧順章（顧以後也投降於國民ZF，其在上海的全家老小也在總理的佈置下被滅門）指揮殺手組埋伏在範爭波公館的周圍。
深夜11點，白鑫、範爭波等一行七人出門上車，殺手組成員突然以猛烈火力對其射擊，發起襲擊，白鑫等猝不及防，亂作一團。範爭波中三槍，重傷倒地，其保鏢被彈穿腦際，其弟範爭洛身中六彈，均當場死亡。白鑫向諸多刺客進行猛烈還擊，但殺手們緊追不舍，終於射中白鑫腹部，白鑫當即倒地，殺手們湧上前將白鑫打得腦漿迸裂方才罷手。
後來，這一行動被報界稱為「東方唯一的大暗殺案」。
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