En juillet 1943, il quitte la France pour aller rejoindre les Forces françaises libres en Afrique du Nord. Rencontrant le général de Gaulle, celui-ci le sollicite pour entrer au Comité français de la Libération nationale. Stéphane Piobetta préfère le combat : promu lieutenant, il prend le commandement de la du Bataillon de marche nord-africain ( BMNA). Il prend part à la campagne d'Italie au sein de la 1re Division française libre. Il est tué dans les combats du Garigliano en mai 1944. Ses restes reposent dans la crypte de la chapelle de la Sorbonne à Paris, à côté de ceux de Jean Cavaillès, dont il fut l’élève à l’E.N.S. une dizaine d’années plus tôt.