Rotmistrz Pilecki, współzałożyciel Tajnej Armii Polskiej (TAP) powstałej w okupowanej przez Niemców Warszawie, był autorem planu zdobycia materiałów wywiadowczych na temat tworzonych przez III Rzeszę obozów koncentracyjnych.

Bezpośrednim powodem, dla którego polski konspirator zamierzał dostać się do KL Auschwitz, była rosnąca liczba aresztowań wśród żołnierzy TAP oraz informacje o zbrodniczych działaniach Niemców. By dostać się do obozu 19 września 1940 r. Pilecki wszedł w "kocioł" podczas łapanki na warszawskim Żoliborzu. Został zatrzymany w kamienicy na ul. Wojska Polskiego 40.

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.

Podając się za Tomasza Serafińskiego - ukrywającego się polskiego żołnierza - został wywieziony do Auschwitz. Za drutami obozowymi znalazł się w nocy z 20 na 21 września 1940 r. 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 obozie Związek Organizacji Wojskowych (ZOW). Więźniowie, głównie byli żołnierze WP, 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 Armii Krajowej. Uciekinier z Auschwitz przedstawił im swój plan ataku na niemiecki obóz, jednak projekt ten nie zyskał aprobaty dowództwa.

W latach 1943-1944 Pilecki 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 okresie 1944-1945 był w niewoli niemieckiej w oflagu VII A w Murnau, następnie dołączył do II Korpusu Polskiego we Włoszech. W październiku 1945 r., na osobisty rozkaz gen. Andersa, wrócił do Polski, by prowadzić działalność wywiadowczą na rzecz II Korpusu. 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 w głąb Związku Sowieckiego.

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 r., ostatecznie postanowił się jednak nie ujawniać.

15 marca 1948 r. rotmistrz został skazany na karę śmierci. Prezydent Bolesław Bierut nie zgodził się na ułaskawienie. Wyrok wykonano 25 maja w więzieniu mokotowskim, 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).

8 maja 1947 r. 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 r. rotmistrz został skazany na karę śmierci. Prezydent Bolesław Bierut nie zgodził się na ułaskawienie. Wyrok wykonano 25 maja 1948 r. w więzieniu mokotowskim przy ul. Rakowieckiej, poprzez strzał w tył głowy. Witold Pilecki pozostawił żonę, córkę i syna.

Miejsce pochówku Witolda Pileckiego nigdy nie zostało ujawnione przez komunistyczne władze, prawdopodobnie ciało rotmistrza wrzucono do dołów śmierci wraz z innymi ofiarami komunizmu na "Łączce" Cmentarza Wojskowego na Powązkach.

Wszelkie informacje o dokonaniach i losie rtm. Pileckiego podlegały w PRL cenzurze. W 1990 r. został zrehabilitowany. Później odznaczono go pośmiertnie Krzyżem Komandorskim Orderu Odrodzenia Polski i Orderem Orła Białego; w 2013 r. został awansowany do stopnia pułkownika.