mały|grób Marcelego Starka|424x424pxPo zajęciu Lwowa przez Sowietów, w grudniu 1939 roku powrócił na uczelnię. Otrzymał stanowisko starszego asystenta Wydziału Matematycznego. Zaczął działać w Międzynarodowej Organizacji Pomocy Rewolucjonistom i agitował za nowym ustrojem. Po pewnym czasie przekonał się, jak naprawdę wygląda życie w nowej, sowieckiej rzeczywistości. Jak wspomina Hugo Steinhaus – kiedy „zobaczył, że tego, w co wierzył, nie ma” – przeżył wstrząs psychiczny.
Po wybuchu wojny niemiecko-sowieckiej Stark został we Lwowie, by opiekować się chorą matką. Trafił na rok do brygady żydowskich robotników przymusowych. Po śmierci rodziców, zamordowanych w sierpniu 1942 r., przedostał się do Warszawy. Tam na początku 1943 r. został aresztowany, ale zdołał uciec z transportu. Przedostał się do warszawskiego getta, zajmował się przemytem broni, a po powstaniu w getcie w kwietniu 1943 r. wywieziono go najpierw na Majdanek, a potem do obozu pracy w fabryce samolotów w Budzyniu (dziś część Kraśnika). Tam w kwietniu 1944 r. razem z innymi matematykami i fizykami więzionymi w obozie trafił do „komanda matematycznego”.