Im Jahr 1939 beschloss Witold, im Land zu bleiben und den Kampf gegen den Feind fortzusetzen. Er schloss sich einer militärischen Untergrundorganisation, der Polnischen Geheimarmee, an, die ihrerseits Befehle von der polnischen Exilregierung erhielt. Innerhalb dieser Organisation diente er als Stabschef. Im August 1940 wurden seine direkten Befehlshaber von den Nazis verhaftet und in das Konzentrationslager Auschwitz gebracht. Zu dieser Zeit war das Wissen über die im besetzten Polen errichteten Konzentrationslager sehr begrenzt, weshalb Witold dazu gedrängt wurde, nach Auschwitz zu gelangen und dort eine Widerstandsbewegung zu organisieren.  

Ziel des polnischen Untergrundstaates war es, Informationen über die im Bau befindlichen Konzentrationslager zu sammeln, den Inhaftierten zu helfen und sogar eine gemeinsame Flucht zu organisieren. Witold willigte ein und ließ sich im September 1940 bei einer Razzia von den deutschen Streitkräften fangen, woraufhin er nach Auschwitz geschickt wurde. Witold versteckte sich unter der falschen Identität von Tomasz Serafiński und erhielt im Lager die Nummer 4859. 

Es wurde sehr schnell klar, dass ein Aufstand der Häftlinge oder eine kollektive Flucht keine Aussicht auf Erfolg hatten. Witold organisierte eine Widerstandsbewegung, deren Aufgabe es war, die Heimatarmee mit Berichten und gegenseitiger Hilfe für die Häftlinge zu versorgen. Aus diesem Grund wurde für die Häftlinge Hilfe in Form von Lebensmitteln und Kleidung organisiert und leichtere Arbeit vermittelt. Die Mitglieder der Widerstandsbewegung hielten auch ihre Augen und Ohren offen und sammelten Informationen über die kriminellen Aktivitäten der Nazis. 

Die Widerstandsberichte, die Witold dem polnischen Untergrundstaat übergab, waren die ersten Zeugnisse über den Holocaust während des Zweiten Weltkriegs. Witold selbst verfasste die Berichte, die später in ihrer Gesamtheit an die westeuropäischen Länder übermittelt wurden. In dem Bericht schrieb Pilecki: 

"Was kann die Menschheit heute sagen, diese Menschheit, die den Fortschritt der Kultur beweisen und das 20. Jahrhundert viel höher stellen will als die vergangenen Jahrhunderte? Können wir, die Menschen des 20. Jahrhunderts, überhaupt in die Gesichter derer blicken, die in der Vergangenheit gelebt haben, und unsere Überlegenheit beweisen, wenn in unserer Zeit die bewaffnete Masse nicht feindliche Armeen, sondern ganze Nationen, wehrlose Gesellschaften vernichtet, indem sie die neuesten technischen Errungenschaften einsetzt." 

Witold, dem die Dekonspiration drohte, entkam aus Auschwitz und kämpfte bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs in der polnischen Widerstandsbewegung. Nach dem Krieg wurde er gefoltert und 1948 von den Kommunisten ermordet. Bis zum Fall des Kommunismus in Polen wurde er von den Behörden als Verbrecher angesehen. Erst 50 Jahre nach seinem Tod wurde sein Andenken rehabilitiert.