Siłami 16 Dywizji Piechoty zajął Łowicz. 14 września, na skutek meldunków o nadciągających spod Warszawy niemieckich jednostkach pancernych, wydał rozkaz wycofania na północny brzeg Bzury. Gdy przepełniona twierdza Modlin nie mogła przyjąć jego żołnierzy, a tylko oficerów, zdecydował się na brawurowy marsz na odsiecz Warszawie. Na czele improwizowanej grupy wojska, liczącej ok. 5 tys. żołnierzy, uczestniczył w walkach obronnych, a od 17 września – odwrotowych w kierunku na Warszawę. 22 września podczas próby przebicia się do Warszawy z rejonu Palmir wywiązała się krwawa, wielogodzinna bitwa pod Łomiankami. Natarcie polskie załamało się z braku amunicji, a gen. Mikołaj Bołtuć poległ w ogniu snajperów, osobiście prowadząc żołnierzy do ataku na bagnety.
Do historii przeszły jego słowa o generale Bortnowskim dowódcy Armii „Pomorze”:
Został pochowany na Cmentarzu Wojskowym na Powązkach w Warszawie (kwatera A 10, rząd 1, grób 10)Wyszukiwarka cmentarna - Warszawskie cmentarze. Jak w 1945 roku zrelacjonował ppłk Jan Topczewski, dowódca 146 Pułku Piechoty, w pogrzebie generała Bołtucia uczestniczyła delegacja polskich jeńców wojennych, której Topczewski był członkiem.