任志贞乳名海棠，1914年5月8日生于陕西省安定县（今子长县）任家砭村一个贫苦农民家庭。在革命家庭和党组织教育培养下，少年时代即投身革命。
1926年，参加谢子长领导的农民协会宣传队。
1928年，加入中国共产主义青年团。
1931年，转入中国共产党，更名为“志贞”，以示永做党的忠诚战士。以冬学教员身份，到农村进行革命宣传，开展农民运动。同年9月，混入敌营侦探，将敌情及时转达刚刚进入安定的晋西游击队，使之全歼国民党驻军一个排。
1932年春，以入瓦窑堡第二高小上学作掩护，在县城散发传单、张贴标语，秘密发展中共党团组织，进行革命活动。并以学生身份掩护党的领导同志过往。
1933年夏，参加中国工农红军陕北游击队第一支队，任一分队指导员，为陕北红军游击队中第一位女红军。在白色恐怖严重、斗争条件异常艰苦条件下，她和男同志一样风餐露宿，行军打仗，作游击队员的思想工作。曾带领游击队员镇压恶霸地主，化装成阔少击毙国民党军班长，全歼其敌。
1933年11月，红一支队在延川县关庄玉盘山被敌重兵包围，她率部奋勇突出重围，保存了革命实力。同月，在绥德田庄，由于叛徒出卖被捕。在狱中，她不为敌人酷刑所屈、利禄所惑，英勇对敌，严守机密。手指被勒断，腿被杠压伤，但斗志毫不减退，怒斥敌人，高唱《国际歌》。
1934年2月13日，和丈夫白德胜一道被敌人杀害。在刑场上，夫妻二人，昂首挺胸，视死如归，鼓励人民继续斗争，最后高呼：“打倒国民党反动派！”、“中国共产党万岁！”口号，英勇就义。
任志贞被党组织誉为“妇女解放的先锋”、“革命青年的典范”、她的英雄事迹被编为剧本上演，子长县人民政府为她修建了烈士碑亭。