Według planu mobilizacyjnego był wyznaczony na dowódcę Oddziału Zbierania Nadwyżek 55 pułku piechoty. Nie do końca zorganizowany pułk (brak broni maszynowej i przeciwpancernej) został przetransportowany do rejonu Kutna, a następnie do rejonu Łowicza. 8 września oddział stoczył pierwszą walkę z Niemcami, a następnie w ciągłym kontakcie z nieprzyjacielem wycofywał się za Wisłę. Zgodnie z otrzymanymi rozkazami ppłk Sosabowski skierował swój oddział do Mińska Mazowieckiego. Po reorganizacji i uzupełnieniu oddziału rozbitkami z innych formacji wziął udział w boju o Kałuszyn. Miasto zostało odbite z rąk niemieckich. Zgodnie z otrzymanymi wytycznymi, wycofał się do Brześcia. 14 września objął dowództwo piechoty Zgrupowania „Brześć”. Po trzech dniach obrony twierdzy, załoga na rozkaz generała Konstantego Plisowskiego opuściła Brześć. Z pozostałości obrońców Sosabowski utworzył kombinowany pułk „Brześć”. W trakcie marszu w kierunku Włodawa-Chełm, do pułku dołączyły kolejne oddziały. Powstał wzmocniony kombinowany pułk „Brześć”. Po dołączeniu do pułku płk. Władysława Filipkowskiego, Sosabowski przekazał mu dowództwo, sam zostając zastępcą dowódcy i szefem sztabu. 23 września pułk Brześć wszedł w skład Grupy płk. Zieleniewskiego. Podpułkownik Sosabowski wraz z dowódcą Grupy płk.