W czasie kampanii wrześniowej 1939 roku wzięty do niewoli przez Sowietów i osadzony w obozie jenieckim w Kozielsku. Między 19 a 21 kwietnia 1940 roku przekazany do dyspozycji naczelnika smoleńskiego obwodu NKWD – lista wywózkowa LW 036/4 poz. 85 z 16 kwietnia 1940 roku, akta osobowe nr 3251. Został zamordowany między 20 a 22 kwietnia 1940 roku przez funkcjonariuszy NKWD w lesie katyńskim i pogrzebany w bezimiennej mogile zbiorowej, gdzie od 28 lipca 2000 roku mieści się oficjalnie Polski Cmentarz Wojenny w Katyniu. W miejscu tym prowadzone były ekshumacje i prace archeologiczne, jednak Piotr Józef Dolemba nie został zidentyfikowany.
Ordery i odznaczenia Krzyż Niepodległości (6 czerwca 1931) „za pracę w dziele odzyskania niepodległości”. Krzyż Walecznych (trzykrotnie) Srebrny Krzyż Zasługi (29 października 1938) „za zasługi w służbie wojskowej”. Odznaka pamiątkowa „Krzyż za zdobycie Wilna 1919” – Wielkanoc w Wilnie (1919) Medal 10 Rocznicy Wojny Niepodległościowej (Łotwa)Dz. Pers. MSWojsk. Nr 12 z 6 sierpnia 1929 r., s. 242.