Hans avdeling deltok i harde kamper mot de fremrykkende tyske styrkene under invasjonen av Polen. Natt til 5. september ble Pileckis regiment nedkjempet av tyske panserstyrker. Pilecki og en liten gruppe soldater trakk seg tilbake og sluttet seg til en improvisert og dårlig utrustet kavaleriavdeling. Den tyske overmakten var stor, og den vestlige delen av Polen ble snart okkupert. Pileckis avdeling trakk seg tilbake mot sørøst. Mens polske styrker trakk seg tilbake invaderte sovjetiske styrker Polen fra øst i slutten av september. General Emil Krukowicz-Przedrzymirski ga ordre om at hæren skulle overgi seg, men soldater og offiserer skulle krysse grensen til Romania og Ungarn for å ta seg til Frankrike der polske enheter ble reorganisert. Pilecki ville fortsette kampen på polsk jord og kjempet på slutten som partisaner.