Nel 1939, Witold decise di rimanere nel Paese e di continuare a combattere il nemico. Si unì a un'organizzazione militare clandestina chiamata Esercito Segreto Polacco, che a sua volta prendeva ordini dal governo polacco in esilio. All'interno dell'organizzazione, ricoprì il ruolo di Capo di Stato Maggiore. Nell'agosto del 1940, i suoi diretti comandanti furono arrestati dai nazisti e inviati al campo di concentramento di Auschwitz. All'epoca la conoscenza dei campi di concentramento allestiti nella Polonia occupata era molto limitata, perciò Witold fu esortato a raggiungere Auschwitz e a organizzare un movimento di resistenza all'interno.

L'obiettivo dello Stato clandestino polacco era quello di raccogliere informazioni sui campi di concentramento in costruzione, nonché di aiutare i prigionieri e persino di organizzare una fuga comune. Witold accettò e nel settembre 1940 permise alle forze tedesche di catturarlo in un raid, dopo il quale fu inviato ad Auschwitz. Witold si nascose sotto la falsa identità di Tomasz Serafiński e gli fu assegnato il numero 4859 del campo.

Divenne subito evidente che una rivolta dei prigionieri o una fuga collettiva non avevano alcuna possibilità di successo. Witold organizzò un movimento di resistenza il cui compito era quello di fornire all'esercito interno rapporti e aiuto reciproco ai prigionieri. Per questo motivo, furono organizzati aiuti per i prigionieri sotto forma di cibo e vestiti e furono organizzati lavori più leggeri. I membri del movimento di Resistenza avevano anche gli occhi e le orecchie ben aperti e raccoglievano informazioni sulle attività criminali dei nazisti.

I rapporti della Resistenza che Witold consegnò allo Stato Polacco Sotterraneo furono le prime testimonianze sull'Olocausto durante la Seconda Guerra Mondiale. Fu Witold stesso a redigere i rapporti, che vennero poi trasmessi integralmente ai Paesi dell'Europa occidentale. Nel rapporto, Pilecki scrisse:

"Cosa può dire l'umanità di oggi, questa umanità che vuole dimostrare il progresso della cultura e che vuole porre il XX secolo molto più in alto dei secoli passati? Possiamo noi, gente del XX secolo, guardare in faccia coloro che sono vissuti nel passato e dimostrare la nostra superiorità, quando nel nostro tempo la massa armata distrugge non eserciti nemici, ma intere nazioni, società indifese, utilizzando le più recenti conquiste tecnologiche."

Witold, minacciato di decostruzione (essere scoperto), fuggì da Auschwitz e combatté nel movimento di Resistenza polacco fino alla fine della Seconda Guerra Mondiale. Dopo la guerra, fu torturato e ucciso nel 1948 dai comunisti e fu ricordato come un criminale dalle autorità fino alla caduta del comunismo in Polonia. Solo 50 anni dopo la sua morte la sua memoria è stata riabilitata.