בשנת 1904 עזב בחשאי את בית אביו, עלה לבדו לארץ ישראל והיה מראשוני החלוצים של העליה השניה. בתחילה עבד כפועל חקלאי בראשון לציון, שם הכיר את אליעזר שוחט, א"ד גורדון ופועלים נוספים. בדיונים שהתנהלו בקרב הפועלים עלה רעיון 'כיבוש העבודה', שעיצב את דרכו של שלמה צמח ואת דרכה של תנועת העבודה. אחרי כן עבר לפתח תקווה ועבד שם בחריש ובחפירת בארות. ביחד עם אליעזר שוחט גיבש את עיקרי תכנית 'כיבוש העבודה' ופעל לליכוד מחנה הפועלים במושבות. בשנת 1905 הקים יחד עם אליעזר שוחט וחלוצים נוספים את מפלגת 'הפועל הצעיר', היה ממתווי דרכה הרעיונית וממנסחי עקרונותיה ומצעה של המפלגה. הוא השתתף באופן פעיל בסכסוך שהתעורר בשלהי 1905 בין איכרי פתח תקווה לבין הפועלים, עקב דרישת האיכרים שהפועלים יתחייבו לקבל על עצמם אורח חיים דתי ולהישמע לוועד המושבה. אחר כך עבר עם אליעזר שוחט ופועלים נוספים אל הגליל ועבד בעבודות פלחה במסחה (כפר תבור) ובחוות סג'רה. בשנת 1907 הקים יחד עם אליעזר שוחט, ישראל שוחט, ישראל גלעדי וחברים נוספים את הסתדרות הפועלים החקלאיים בגליל 'החורש' וניסח את תכנית הארגון. באותה תקופה החל לכתוב ולפרסם רשימות וסיפורים בעיתונות.
בשנת 1909 נסע לצרפת ולמד ספרות ופילוסופיה בסורבון. אחרי כן למד במכון הגבוה לחקלאות בננסי. בשנת 1914 סיים את לימודיו וקיבל את התואר 'מהנדס חקלאי'. יצא לבקר את משפחתו בפלונסק, ועקב פרוץ מלחמת העולם הראשונה נאלץ להישאר בפולין. בשנות המלחמה לימד בגימנסיה 'חנוך' בווארשה ועסק בפעילות בתחומי הציונות והתרבות העברית. בשנים
1920-1918 היה מורה לטבע בבית המדרש למורים עברים באודסה ובחווה של 'אורט' להכשרת חלוצים. יחד עם אליעזר שטינמן ערך את הקובץ 'ארץ. אודסה : מאסף לספרות יפה ולבקרת' שהתפרסם באודסה.
בשנת 1921 חזר לארץ ישראל. בשנים 1924-1921 שימש כמורה במקווה ישראל. בשנים 1933-1924 ניהל את מחלקת ההדרכה בתחנת הנסיונות החקלאית ברחובות והקים את משק השלחין בארץ. בשנת 1932 יצג את ארץ ישראל בכנסיה החקלאית הבינלאומית ברומא. באותן השנים המשיך להשתתף
בפעילות צבורית והיה ציר בקונגרס הציוני ה-15 בבאזל (1927). במקביל, המשיך לעסוק בפעילות
ספרותית ובכתיבת ביקורת ספרותית. בשנת 1929 נמנה עם מייסדי כתב העת 'מאזניים' של אגודת הסופרים העבריים, היה חבר מערכת השבועון (אחר כך - ירחון) ומאוחר יותר שימש כעורכו.
בשנת 1933 היה מייסדו של בית הספר החקלאי 'כדורי'. בשנים 1937-1933 שימש כמנהלו הראשון של בית הספר. יגאל אלון, תלמיד 'כדורי' באותם ימים כתב בספרו 'בית -אבי': 'משכמו ומעלה
היה מורי שלמה צמח, הוא קרע בפני צוהר אל ערכי חברה ואדם, ובעקיפין, אל
תנועת העבודה'. בשנים 1955-1941 שב לעבוד בתחנת הנסיונות החקלאית והתגורר בירושלים.
במהלך השנים, במקביל לעבודתו, פירסם שלמה צמח ספרים רבים. הוא חיבר רומאנים, סיפורים, מסות, דברי ביקורת, ספרי עיון ומחזה. בין ספריו: 'אליהו מרגלית' (1921), 'סיפורים מחיי הארץ' (1939) 'על היפה' (1939), 'השחוק' (1948), 'שנה ראשונה' (ספר אוטוביוגרפי על ראשית דרכו בארץ, מחשובי הספרים שעוסקים בעליה השניה, 1952), 'מסה וביקורת' (1954), 'סיפורים' (1965) ועוד. הוא חיבר גם מחקרים וספרי עזר בתחום החקלאות. בשנים 1957-1952 ערך את כתב העת 'בחינות בביקורת הספרות' וכן ערך את 'ספר פלונסק והסביבה : ניישטאט וסוכוצ'ין : יד וזכר לקהילות שנחרבו' בהוצאת ארגון יוצאי פלונסק בישראל (1963). הוא זכה בפרסים על עבודתו הספרותית: פרס ביאליק (1944), פרס דבר (1951), פרס ברנר (1955), פרס אהרונוביץ (1957), פרס ישראל לספרות יפה (1965), פרס עירית ירושלים לספרות (1966) .
נפטר ב- 6 בנובמבר 1974.
בשנת 2010 יצא לאור ספרו של אריה בודנהיימר 'בזכות החבר מפלונסק', המגולל את סיפורו של שלמה צמח, ובתוכו גם סיפור הידידות והמחלוקות עם דוד בן-גוריון.