起义再次失败后，王泰吉只身到河南南召县，从事秘密革命活动。不久被捕，被押往南京。虽与党组织失去联系，但并未动摇他的革命信念，反动当局施以刑讯折磨，他也毫不屈服，并在狱中写诗明志：“南京被押己巳年，蚤虱围攻何足怜。翻身消灭尔丑类，革命精神炼愈坚”“三尺榻上不容睡，五步室内寄余身，狂吟将伯君毋躁，独对铁窗思好音。”

１９３０年王泰吉经杨虎城保释出狱，在杨部任第十七师补充旅副旅长兼参谋长。１９３１年后任西安“绥靖”公署新兵训练处长、骑兵团团长等职。

１９３３年，王泰吉的骑兵团移驻至陕西耀县后，他找到老同学何寓础，帮助自己寻找党的组织，并向党组织汇报率领全团起义的想法。７月，在中共陕西省委领导下，王泰吉率骑兵团２０００余人在耀县起义，成立西北民众抗日义勇军，任总司令，并恢复党组织关系。后在三原以北战斗失利，率余部撤往照金，与习仲勋、李妙斋等领导的游击队会合。８月，任中国工农红军陕甘边游击队临时总指挥部总指挥，率部智取张洪镇，夜袭合水城，在毛家沟门战斗中以少胜多，使部队转危为安，粉碎了敌军的“围剿”。

同年１１月，陕甘边特委、临时总指挥部党委决定，将所属部队改编为中国工农红军第２６军第４２师，王泰吉任师长，率部开辟以南梁为中心的陕甘边根据地。

１９３４年１月，为了扩大革命武装力量，王泰吉主动要求去豫陕边做兵运工作，途经陕西淳化通润镇时被捕。被关押期间，任凭敌人软硬兼施，威逼利诱，王泰吉都未失共产党员的气节，还在拘留室的墙壁上留下了豪气干云的诗句：“几经奋起几颠沛，愧无良平智量深，引颈辞世诚快事，瞑目庆祝红旗飞。”王泰吉在知道自己将不久于人世后，恳切地对杨虎城部队旧友们说，希望十七路军能为全国的团结抗日事业出力。３月３日，王泰吉被秘密杀害于西安西华门“绥靖”公署军法处的大院内，年仅２８岁。

１９５１年，党和人民政府在西安革命公园为王泰吉烈士修建了纪念亭和纪念塔，供后人瞻仰和纪念。２０１２年，在王泰吉的家乡北田街道尖角村，王泰吉烈士墓被命名为西安市党史教育基地。２０１３年，为了缅怀英雄，尖角村村委会修建了王泰吉烈士广场。２０１５年，这里被命名为临潼区爱国主义教育基地，每年都有许多青少年来此学习革命传统。

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