少时曾先后就读于佳县单级师范班、山西汾阳铭义中学、榆林陕西省立第六中学。1924年，入绥德省立第四师范学习。受共产党员李子洲等的影响，同年冬加入中国共产主义青年团，后加入中国共产党，曾因积极开展学生爱国运动被学校开除。1925年，入国民二军当兵，任班长、排长，担任中共党小组组长、党支部干事。1926年5月，南下到广州农民运动讲习所学习。同年秋，回陕西，在三原、富平等县深入发动和组织农民，开展农民革命斗争，被誉为“农运大王”。曾任国民党陕西省党部农民部渭北区办事处负责人、三原县武字区农民协会主席。1927年大革命失败后，兼任华县高塘民团军事教练，组织农民武装，到洛南县中共特支负责宣传和农军工作。1928年5月，参加渭华起义，任西北工农革命军中队长、中队中共党支部书记。起义失败后，赴河北从事党的秘密工作，先后任中共井陉县委书记、唐山市委委员兼职工运动委会书记、顺直省委职工运动委员会书记，领导工人罢工，要求增加工资和改善劳动条件。1929年底，相继任中共天津纱厂区区委书记、天津市赤色工会书记。曾6次被捕入狱，倍受折磨，仍坚贞不屈。在狱中先后担任中共党支部组织委员、书记，与彭真等组织过两次绝食斗争，反抗国民党的压迫，获得胜利。1935年7月26日，跳窗越狱成功。后在北平等地进行秘密斗争。1938年夏，赴苏联诊治疾病。1940年10月，在身体尚未痊愈情况下要求回国参加抗战。到新疆迪化（今乌鲁木齐）工作。1942年，与陈潭秋，毛泽民等被软禁。1943年，又被投入监狱，受到非人的折磨，旧病复发，仍坚持与敌人进行斗争。根据多次坐牢经验，奋力写下万余字的意见稿，秘密在同志间传阅，使之成为监狱斗争的原则、对策和办法。由于反动派的迫害，疾病加重，1945年7月31日，在新疆国民党监狱病逝。1946年8月6日，中共中央组织部在延安为他和其他新疆死难烈士召开了追悼大会。1952年，中共陕西省委决定将原佳县图书馆改名为“国桢图书馆”，以志纪念。1956年，新疆人民政府将他的遗体安葬在乌鲁木齐烈士陵园。