Kapitán jezdectva Witold Pilecki se po neuvěřitelném útěku z Osvětimi znovu velmi intenzivně zapojil do podzemního hnutí a dál podporoval odbojovou organizaci Svaz vojenské organizace, kterou v táboře založil. Tuto spolupráci prohluboval, když nebyly vyslyšeny jeho návrhy na osvobození tábora. Když vypuklo Varšavské povstání, bylo jasné, že Witold nezůstane stranou.
Varšavské povstání začalo 1.srpna 1944 s cílem osvobodit hlavní město dřív, než dorazí Rudá armáda a zároveň ustavit legitimní fungující státní správu a tím znemožnit dosazení vlády, dirigované Sověty. Z počátku se Pilecki přidal ke skupině Chobry II, která fungovala v rámci jednotek takzvaného diverzní ústředí. Jako bezejmenný vojín bojoval v centru Varšavy v četě Mazur 1. roty Warszawianka v rámci organizace Národní ozbrojené síly. Tato organizace byla nejen protinacistická, ale i antisovětská. Svou totožnost spolu s hodností ze začátku tajil, ale když došlo k zásadním ztrátám mezi důstojníky, tak převzal jakožto kapitán velení. Pod jeho velením udržely jeho muži opevněnou oblast známou jako velká bašta Varšavy po dva dlouhé týdny, kdy museli čelit neustálým útokům ze strany nacistických vojsk. Povstání jako takové spoléhalo na pomoc spojenců, která bohužel nepřišla a povstání bylo utopeno v krvi. Důsledky byly dalekosáhlé. Mimo obrovských ztrát na životech a následných represích, byly taktéž téměř rozdrceny centrální struktury Zemské armády a Polského podzemního státu, které díky tak mohutnému oslabení nebyli následně schopni čelit poválečnému převzetí moci komunisty. Pilecki sám se nechal v závěru povstání zatknout a zbytek války prožil v zajateckých táborech ve slezských Łambinowicích a bavorském Murnau. Na konci dubna 1945 Američané osvobodili vězení v Murnau, avšak Pilecki opustil tábor až v červenci téhož roku. Ihned se přidal ke 2. polskému sboru, který byl dislokován v Itálii a kde mimo jiné napsal knihu o svém pobytu v Osvětimi. Vzhledem ke zhoršujícím se vztahům mezi exilovou vládou a nově vzniklým Polským výborem národního osvobození, který byl ustanoven za významné podpory Sovětského svazu v červnu 1944, přijal kapitán Pilecki rozkaz od generála Władysława Anderse a vrátil se do Polska. Tady pod falešnou identitou měl sbírat zpravodajské informace pro exilovou vládu.
Své válečné zkušenosti z Varšavy začal ihned po návratu do Polska v říjnu 1945 uplatňovat mimo jiné ve formě organizování zpravodajské sítě. V tohle případě však nemá žádné vojenské plány a jeho úkolem je sbírat informace o sovětizaci Polska a posílat je na západ. Z počátku roku 1946 se situace pro exilovou vládu zhoršila natolik, že vydala rozkaz, aby se všichni partyzáni vrátili domů nebo utekli do zahraničí. Pilecki to však odmítl a dál shromažďoval důkazy proti sovětům i přes informaci, že byl prozrazen. To vše odvážně činil až do osudného dne 8. května 1947, kdy byl zatčen příslušníky Ministerstva vnitřní bezpečnosti. Téměř deset měsíců trvající výslechy pod vedením plukovníka Romana Romkowského měli za cíl Pileckého naprosto zlomit, aby mohl být následně veřejně odsouzen. Muži plukovníka Romkowského se neštítili mučení, při kterém Pileckému například zlomili obě klíční kosti a vytrhaly několik nehtů na rukou. Je až k neuvěření, že i přes všechny tyto útrapy kapitán Pilecki neprozradil žádné citlivé informace. Své ženě Marině Pilecké na jediném povoleném setkání řekl, že proti metodám bolševických vyšetřovatelů byla Osvětim hračka.
Samotný proces se konal 3. března 1948. Pileckému nepomohl ani známý z Osvětimi a aktuální polský předseda vlády Jósef Cyrankiewicz. Na obvinění, že byl agentem cizích mocností odpověděl klidně a věcně: „Nebyl jsem rezidentem cizí rozvědky, ale polským důstojníkem. Neměl jsem dojem, že bych se dopouštěl špionáže. Nepřiznávám se také k absurdním obviněním o pokus o vraždu vysokých funkcionářů Ministerstva vnitřní bezpečnosti ani přijímání peněz od cizí rozvědky. Na druhé straně potvrzuji, že jsem používal falešné doklady a neregistroval jsem svůj pobyt. Nemohl jsem přece přijít na Úřad bezpečnosti a prohlásit, že jsem důstojníkem generála Anderse.‘‘ Dne 15. května 1948 byl přečten rozsudek, který mohl být jen jediný možný, a to trest smrti. Odsouzeni byli ještě další tři lidé. O deset dní později, 25. května 1948 vyvedli Witolda Pileckého časně ráno z jeho cely a následně jej popravili. Zemřel střelou zblízka do zátylku. Stejným způsobem, jakým zemřelo mnoho obětí sovětské totality, počínaje Katyňským masakrem. Jeho tělo bylo vhozeno do neoznačené jámy na okraji varšavského hřbitova Powązki a dodnes nebylo spolehlivě identifikováno.
Witold Pilecki byl rehabilitován, stejně jako ostatní oběti politických procesů, 1. října 1990. Posmrtně byl postupně povýšen do hodnosti plukovníka a obdržel několik vyznamenání z nichž nejzásadnější je Řád bílé orlice jakožto nejvyšší polské vyznamenání.
V jednom z posledních vzkazů rodině napsal: „Snažil jsem se žít tak, abych se v okamžiku smrti mohl spíše radovat než bát.“
Žádné štítky.