II wojna światowa W sierpniu 1939 został zmobilizowany do służby w Wojsku Polskim. Po agresji III Rzeszy na Polskę walczył jako dowódca plutonu w szwadronie kawalerii dywizyjnej 19 Dywizji Piechoty Armii „Prusy”, a następnie w 41 Dywizji Piechoty na przedmościu rumuńskim. Pod jego dowództwem, w trakcie prowadzonych walk, ułani zniszczyli 7 niemieckich czołgów oraz 2 nieuzbrojone samoloty. Ostatnie walki jego oddział prowadził jako jednostka partyzancka. Pilecki rozwiązał swój pluton 17 października 1939 i przeszedł do konspiracji.
Konspiracja Po zakończeniu kampanii wrześniowej przedostał się do Warszawy, został jednym z organizatorów powołanej 9 listopada 1939 konspiracyjnej organizacji Tajnej Armii Polskiej pod dowództwem majora Jana Włodarkiewicza. Następnego dnia został wybrany inspektorem organizacyjnym, a później pełnił w niej funkcję szefa sztabu, następnie inspektora głównego. Po skrystalizowaniu się struktury organizacyjnej Pilecki jednocześnie pełnił w tej organizacji dwie funkcje – szefa Oddziału I (organizacyjno-mobilizacyjnego) oraz wydziału uzbrojenia w Oddziale IV (uzbrojenia i służb specjalnych). Nadzorował i zakładał sieć tajnych skrytek na dokumenty, podziemną bibułę oraz broń palną, jedną z nich założył we własnym mieszkaniu. Zwerbował do organizacji szereg nowych członków jak np. Zygmunta Ważyńskiego.