Pilecki, jako żołnierz Tajnej Armii Polskiej (TAP) powziął plan zdobycia materiałów wywiadowczych z tworzonych przez hitlerowców obozów koncentracyjnych. Bezpośrednim powodem była rosnąca liczba aresztowań wśród żołnierzy TAP oraz informacje o zbrodniczych działaniach Niemców. By dostać się do obozu Pilecki wszedł w "kocioł" podczas łapanki na stołecznym Żoliborzu. Został zatrzymany w kamienicy na ul. Wojska Polskiego 40. Podając się za Tomasza Serafińskiego - ukrywającego się żołnierza polskiego - został wywieziony do obozu Auschwitz. Za drutami znalazł się w nocy z 20 na 21 września. Otrzymał numer 4859. Mimo nieludzkich warunków, chorób, Pilecki ps. Serafiński zbierał i przekazywał materiały wywiadowcze przez wypuszczanych na wolność więźniów. To on przygotował pierwszą tajną notę na temat ludobójstwa w Auschwitz. Pilecki zorganizował w Auschwitz Związek Organizacji Wojskowych (ZOW). Więźniowie, głównie byli żołnierze tworzyli tzw. piątki. Każda taka grupa rozbudowywała swoją siatkę konspiracyjną nie wiedząc nic o istnieniu innych "piątek". Był to oryginalny pomysł Pileckiego. Później ZOW był budowany na wzór organizacji wojskowych. Jego dowódcą został płk Kazimierz Heilman-Rawicz z ZWZ-AK. ZOW - wedle zamysłu Pileckiego - miał przygotować powstanie w obozie. "Serafiński" nie ograniczał się tylko do działalności wywiadowczej i konspiracyjnej. Doprowadził do porozumienia organizacji politycznych działających w Auschwitz. Do symbolicznego spotkania doszło w Wigilię 1941 r. Uczestniczyli w nim m.in. działacz lewicowy, były poseł i więzień brzeski Stanisław Dubois oraz Jan Mosdorf, przywódca Obozu Radykalno-Narodowego. Wiosną 1943 r. Niemcy zaczęli rozpracowywać organizacje konspiracyjne w obozie. W ręce oprawców wpadało coraz więcej członków obozowego ruchu oporu. Zapadła decyzja o wywiezieniu "starych" więźniów w głąb Rzeszy. Wtedy Pilecki zdecydował się na ucieczkę. W nocy z 26 na 27 kwietnia 1943 r. zdołał zbiec wraz z dwoma współwięźniami. Wzdłuż toru kolejowego doszli do Soły, a następnie do Wisły, przez którą przepłynęli znalezioną łódką. U księdza w Alwerni dostali posiłek oraz przewodnika. Przez Tyniec, okolice Wieliczki i Puszczę Niepołomicką przedostali się do Bochni, skąd dotarli do Nowego Wiśnicza, gdzie Pilecki odnalazł prawdziwego Tomasza Serafińskiego. Serafiński skontaktował go z oddziałami AK, którym przedstawił swój plan ataku na obóz w Oświęcimiu. Jego projekt nie zyskał jednak aprobaty dowództwa. W latach 1943-44 służył w oddziale III Kedywu KG AK (m.in., jako zastępca dowódcy Brygady Informacyjno-Wywiadowczej "Kameleon"- "Jeż") i brał udział w Powstaniu Warszawskim. Początkowo walczył jako zwykły strzelec w kompanii "Warszawianka", później dowodził jednym z oddziałów zgrupowania Chrobry II, w tzw. Reducie Witolda. W latach 1944-45 był w niewoli niemieckiej w oflagu VII A w Murnau, następnie dołączył do II Korpusu Polskiego we Włoszech. W październiku 1945 roku, na osobisty rozkaz gen. Andersa, wrócił do Polski, by prowadzić działalność wywiadowczą na rzecz II Korpusu. Jesienią 1945 roku zorganizował siatkę wywiadowczą i rozpoczął zbieranie informacji wywiadowczych o sytuacji w Polsce, w tym o żołnierzach AK i II Korpusu więzionych w obozach NKWD i deportowanych do Rosji. Prowadził również wywiad w Ministerstwie Bezpieczeństwa Publicznego (MBP), MON i MSZ. Nie zareagował na rozkaz Andersa polecający mu opuszczenie Polski w związku z zagrożeniem aresztowania. Rozważał skorzystanie z amnestii w 1947 roku, ostatecznie postanowił się jednak nie ujawniać. 8 maja 1947 roku został aresztowany przez funkcjonariuszy Urzędu Bezpieczeństwa, torturowany i oskarżony o działalność wywiadowczą na rzecz rządu RP na emigracji. 3 marca 1948 r. przed Rejonowym Sądem Wojskowym w Warszawie rozpoczął się proces tzw. grupy Witolda. Rotmistrz Pilecki został oskarżony o: nielegalne przekroczenie granicy, posługiwanie się fałszywymi dokumentami, brak rejestracji w Rejonowej Komendzie Uzupełnień, nielegalne posiadanie broni palnej, prowadzenie działalności szpiegowskiej na rzecz Andersa oraz przygotowywanie zamachu na grupę dygnitarzy MBP. Zarzut o przygotowywanie zamachu Pilecki stanowczo odrzucił, zaś działania wywiadowcze uznał za działalność informacyjną na rzecz II Korpusu, za którego oficera wciąż się uważał. Podczas procesu przyznał się do pozostałych zarzutów. Prokuratorem oskarżającym Pileckiego był mjr Czesław Łapiński, przewodniczącym składu sędziowskiego ppłk Jan Hryckowian (obaj byli dawnymi oficerami AK), sędzią kpt. Józef Brodecki. Skład sędziowski (jeden sędzia i jeden ławnik) był niezgodny z ówczesnym prawem. 15 marca 1948 roku rotmistrz został skazany na karę śmierci. Prezydent Bolesław Bierut nie zgodził się na ułaskawienie. Wyrok wykonano 25 maja w więzieniu mokotowskim przy ul. Rakowieckiej, poprzez strzał w tył głowy. Witold Pilecki pozostawił żonę, córkę i syna. Miejsce pochówku rotmistrza nigdy nie zostało ujawnione przez komunistyczne władze, prawdopodobnie zwłoki zakopano na wysypisku śmieci koło Cmentarza Powązkowskiego (tzw. kwatera Ł - łączka). Do roku 1989 wszelkie informacje o dokonaniach i losie rtm. Pileckiego podlegały w PRL cenzurze. Witold Pilecki został pośmiertnie odznaczony Krzyżem Komandorskim Orderu Odrodzenia Polski (1995) i Orderem Orła Białego (2006).