Krátce před vypuknutím druhé světové války byl 26. srpna 1939 mobilizován coby velitel jezdecké čety. Byl přidělen k 19. pěchotní divizi pod velením Józefa Kwaciszewskiho, která byla součástí tzv. polské pruské armády (). Jeho jednotka se dostala do těžkých bojů s postupující německou armádou během německé invaze do Polska a byla částečně zničená. Pileckého četa se stáhla k jihovýchodu, směrem ke Lvovu (součást dnešní Ukrajiny) a rumunskému předmostí (). Zde byl začleněn pod nově vzniklou 41. pěchotní divizi, v níž sloužil jako zástupce majora Jana Włodarkiewicze. Během konfliktu (v Polsku známého jako zářijová kampaň) Pilecki a jeho muži zničili sedm německých tanků, sestřelili jeden letoun a další dva zničili na zemi. Dne 17. září Sovětský svaz začal obsazovat východní Polsko, v souladu s tajným německo-sovětským paktem Molotov–Ribbentrop. Pileckého divize, která se tak musela zapojit do těžkých bojů na obou frontách, byla nakonec 22. září rozpuštěna, přičemž část vojáků se vzdala nepříteli. Pilecki se společně se svým velitelem majorem Włodarkiewiczem vrátil do Varšavy.