W czasie kampanii wrześniowej 1939, po agresji ZSRR na Polskę, 21 września został aresztowany przez Sowietów. W październiku 1939 przebywał w obozie jenieckim w Wołogdzie, a następnie w obozie w Kozielsku. Między 3 a 5 kwietnia 1940 przekazany do dyspozycji naczelnika smoleńskiego obwodu NKWD – lista wywózkowa bez numeru z 2 kwietnia 1940. Między 4 a 7 kwietnia 1940 został zamordowany w lesie katyńskim przez funkcjonariuszy Obwodowego Zarządu NKWD w Smoleńsku oraz pracowników NKWD przybyłych z Moskwy na mocy decyzji Biura Politycznego KC WKP(b) z 5 marca 1940. Ofiary tej zbrodni grzebano w bezimiennych mogiłach zbiorowych, gdzie od 28 lipca 2000 mieści się oficjalnie Polski Cmentarz Wojenny w Katyniu. W miejscu tym prowadzone były ekshumacje i prace archeologiczne, jednak Stefan Grabowski nie został zidentyfikowany.

Życie prywatne 14 lipca 1930 ożenił się z Józefą Budziszewską, z którą miał syna Andrzeja (1931–2015). Jego wnukiem jest dr Maciej Grabowski.

Odznaczenia Krzyż Kampanii Wrześniowej 1939 (pośmiertne odznaczenie w 1986 roku wszystkich ofiar zbrodni katyńskiej) Odznaka Pamiątkowa Wojsk Wielkopolskich