We wrześniu 1939 roku, po opuszczeniu miasta przez wojsko, Józef Witkowski działał w Komitecie Administracyjnym Uniwersytetu, którego zadaniem było zabezpieczenie majątku przed grabieżą. 29 września został aresztowany przez Gestapo i wraz z innymi profesorami UP i osadzony w więzieniu przy ul. Młyńskiej. Po 10 dniach został zwolniony pod warunkiem nieopuszczania miasta Poznania i meldowania się w Gestapo. 11 października udało mu się wyjechać do Krakowa, gdzie uzyskał pomoc i schronienie u przyjaciół. Dzięki staraniom Tadeusza Banachiewicza w 1940 roku został przyjęty do pracy w Obserwatorium Astronomicznym w Krakowie w charakterze asystenta, gdzie pracował aż do wyzwolenia miasta.
Po zakończeniu wojny w 1945 roku powrócił na stanowisko kierownika obserwatorium poznańskiego. Zaangażował się wtedy w utworzenie Astronomicznej Stacji Szerokościowej PAN w Borowcu, która z założenia miała się kompleksowo zajmować zagadnieniami dynamiki Ziemi (przekształconej następnie w Astronomiczne Obserwatorium Szerokościowe, a obecnie w Obserwatorium Astrogeodynamiczne). W tym okresie objął też kierownictwo nowo utworzonego Zakładu Astronomii PAN. W latach 1950–1952 był prezesem Polskiego Towarzystwa Astronomicznego, od 1947 roku członkiem Polskiej Akademii Umiejętności, a od 1959 roku członkiem korespondentem Polskiej Akademii Nauk.