Mobilisé fin , Karski participe à la campagne de septembre 1939 au front de l'Ouest de la Pologne. Après l'invasion de la partie orientale de la Pologne par l'Union Soviétique le 17 septembre, son régiment est pris en tenaille. Karski est fait prisonnier par l'Armée rouge et déporté au camp Kozielszczyna. Il dissimule sa qualité d'officier et échappe ainsi au massacre de Katyń, l'assassinat de masse des officiers polonais faisant partie de la politique de l'élimination de l'élite polonaise à laquelle se livre l'URSS. En tant que natif de Łódź (ville alors en voie d'incorporation au Troisième Reich), Karski est remis aux mains des Allemands dans le cadre d'un échange de prisonniers, simples soldats polonais, entre l'Allemagne et l'URSS alliés. Mais il réussit à s'évader du transport et, en , il arrive à Varsovie.