Sớm giác ngộ cách mạng, đồng chí đã tham gia hoạt động bí mật trong tổ chức học sinh ở quận Cao Lãnh. Ngày 25 tháng 8 năm 1945, đồng chí tham gia giành chính quyền ở quận Cao Lãnh và thị xã Sa Đéc.

Tháng 3 năm 1946, đồng chí đã sớm tập hợp được anh em cùng chí hướng và tổ chức cơ sở tình báo tỉnh Sa Đéc, là cơ sở đầu tiên trong Quân khu 8.

Đồng chí Phan Thanh Khiết là người có nghệ thuật về công tác tổ chức, lại là người chan hòa dễ mến nên tập hợp được nhiều anh em trong kháng chiến chống Pháp vào cơ sở tình báo ở tỉnh Sa Đéc. Trong công tác nắm địch và phân tích tình hình, đồng chí luôn đánh giá chính xác, phục vụ đắc lực và kịp thời cho tỉnh Sa Đéc cũng như cho Ban Tình báo Quân khu 8. Đồng chí là người trực tiếp chỉ huy tấn công đồn Nha Mân lần thứ hai thành công, được sự tín nhiệm của Quân khu 8 và Nam Bộ trong thời kỳ chống Pháp.

Ngày 27 tháng 6 năm 1951, Ủy ban Hành chính Kháng chiến Nam Bộ quyết định sáp nhập hai tỉnh Vĩnh Long và Trà Vinh thành tỉnh Vĩnh Trà, đồng chí Phan Thanh Khiết được điều về làm Tham mưu phó Tỉnh đội kiêm Trưởng Ban Quân báo tỉnh. Sau khi thành lập, Tỉnh đội Vĩnh Trà triển khai chỉnh đốn lực lượng, ngăn chặn thế tiến công ồ ạt của địch và đẩy mạnh đánh tiêu hao, tiêu diệt sinh lực địch, bảo toàn lực lượng ta; tăng cường cán bộ tiểu đoàn về cho các huyện, củng cố tăng cường trang bị cho bộ đội địa phương huyện.

Cuối tháng 9 năm 1953, sau khi được Bộ Chính trị thông báo về kế hoạch tác chiến Đông Xuân 1953 - 1954, giữa tháng 10 năm 1953, Trung ương Cục chỉ đạo cho Bộ tư lệnh Phân Liên khu mở chiến dịch địch ngụy vận phối hợp với chiến tranh du kích tiến công địch ở Nam Bộ, Bộ Tư lệnh Phân Liên khu miền Tây chỉ thị cho các Tỉnh ủy và Tỉnh đội các tỉnh về việc phối hợp thực hiện kế hoạch Đông - Xuân 1953 - 1954 trên cả nước. Tỉnh ủy Vĩnh Trà họp, quyết định thực hiện “công tác trung tâm địch, ngụy vận”. Trong công tác tư tưởng, Tỉnh ủy, Tỉnh đội phải làm sao cho cán bộ, đảng viên, chiến sĩ nhận rõ tình hình địch và ta, tin tưởng vào chủ trương địch ngụy vận đi đôi với tác chiến để hưởng ứng chiến dịch Đông Xuân. Công tác địch ngụy vận ở Vĩnh Trà đã diễn ra mạnh mẽ, đều khắp, kết hợp cả tuyên truyền, vận động, đấu tranh chính trị với đấu tranh vũ trang bằng nhiều hình thức của chiến tranh nhân dân, chiến tranh du kích. Tháng 3 năm 1954, phong trào tiến công địch nổ ra trên toàn tỉnh, phối hợp với những trận tấn công tiêu diệt địch ở các căn cứ phía bắc và đông bắc Điện Biên Phủ, góp phần vào thắng lợi chung của Chiến dịch Điện Biên Phủ.

Thi hành Hiệp định Genève, đồng chí Phan Thanh Khiết được điều về Ban Liên hiệp đình chiến của Phân Liên khu miền Tây, sau đó được phân công ở lại miền Nam rút vào hoạt động bí mật. Năm 1968, Trung ương Cục miền Nam điều đồng chí về Ban Binh vận Khu Sài Gòn - Gia Định.

Thời gian này, đồng chí bị địch bắt, bị tù đày, sau đó được thả ra, tiếp tục công tác ở Ban Binh vận, là Trưởng Ban Binh vận Phân khu 6, Sài Gòn - Gia Định.

Trong đợt Tổng tấn công và nổi dậy đầu Xuân 1968, ta đã tiêu diệt và làm tan rã hơn 1/4 quân ngụy. Tinh thần quân ngụy sa sút, hoang mang lo sợ. Nhân đà này, Thường vụ Trung ương Cục đã chủ trương mở chiến dịch hoạt động binh vận, địch vận nhằm thúc đẩy khủng hoảng ngụy quyền Sài Gòn sâu sắc hơn nữa.

Sau Tết Mậu Thân 1968, cơ quan binh vận Khu Sài Gòn - Gia Định về đóng ở khu vực xã Thạnh Hưng (huyện Cái Bè, Tiền Giang). Cuối năm 1968, đầu năm 1969, địch tập trung lực lượng đánh chiếm lại các vùng giải phóng của ta đã mở ra trong Xuân Mậu Thân, càn quét lấn chiếm đến đâu, địch triển khai ngay kế hoạch bình định đến đó. Trong thời điểm này, địch chọn xã Thạnh Hưng làm nơi bình định thí điểm của tỉnh Mỹ Tho và đóng ở đây 28 đồn bót.

Năm 1969, cơ quan binh vận Sài Gòn - Gia Định chuyển sang đóng ở Trà Vinh. Ngày 26 tháng 6 năm 1969, Trung ương Cục ra Chỉ thị tập trung lực lượng đẩy mạnh tấn công binh vận trên toàn miền Nam, tập trung vào các nội dung: Quán triệt 10 điểm về giải pháp toàn bộ vấn đề miền Nam; Tuyên truyền việc thành lập Chính phủ cách mạng lâm thời và chương trình hành động 12 điểm của Chính phủ; Vận dụng 12 điểm của chính sách Mặt trận công bố cho ngụy quân, ngụy quyền vào đầu năm 1968; Căn cứ vào nội dung trên mà đề ra một số khẩu hiệu cụ thể vừa để tuyên truyền rộng, vừa hướng dẫn hành động cho binh sĩ, tùy tình hình cụ thể của mỗi cấp mà vận dụng cho phù hợp. Các đoàn thể giáo dục ý nghĩa, yêu cầu nội dung của đợt cho đoàn viên, hội viên và phân công cụ thể để huy động rộng rãi quần chúng và binh sĩ tham gia; phát động toàn quân tích cực tham gia; kết hợp chặt chẽ ba mũi, hình thành thế bao vây ba mũi…, mở đầu đợt tấn công binh vận đồng loạt vào đầu tháng 8 đến ngày 15 tháng 9.

Trong khi công tác binh vận đang tập trung toàn lực thì địch cũng tìm mọi biện pháp đánh trả. Ngày 10 tháng 2 năm 1971, bọn biệt kích đánh vào cơ quan binh vận (ấp Rạch Đùi, xã Minh Thới, huyện Cầu Kè, tỉnh Trà Vinh), đồng chí Phan Thanh Khiết chiến đấu đến hơi thở cuối cùng và tự sát để không rơi vào tay giặc.

Sau ngày miền Nam hoàn toàn giải phóng, đồng chí Phan Thanh Khiết được đưa về an táng tại Nghĩa trang Thành phố Hồ Chí Minh.