8 maja 1947 został aresztowany. W areszcie był torturowany przez funkcjonariuszy Urzędu Bezpieczeństwa. W trakcie ostatniego, jak się później okazało, widzenia z żoną, wyznał jej w tym kontekście: Oświęcim to była igraszka. Ostatecznie został oskarżony o działalność wywiadowczą na rzecz rządu RP na emigracji. 3 marca 1948 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
•przygotowywanie zamachu na grupę dygnitarzy MBP

Zarzut o przygotowywanie zamachu na procesie stanowczo odrzucił, a co do działalności wywiadowczej, to uważał ją za działalność informacyjną na rzecz II Korpusu, za którego oficera nadal się uważał. Do pozostałych zarzutów na procesie przyznał się. 15 maja 1948 roku rotmistrz został skazany na karę śmierci i wkrótce stracony. Wyrok wykonano w więzieniu mokotowskim na Rakowieckiej, poprzez strzał w tył głowy. Witold Pilecki pozostawił żonę, córkę i syna. Jego miejsce pochówku jest nieznane, prawdopodobnie zwłoki zakopano na wysypisku śmieci koło Cmentarza Wojskowego na Powązkach w Warszawie. Grób symboliczny znajduje się w Kwaterze "Na Łączce". Wszelkie informacje o dokonaniach i losie Pileckiego podlegały w PRL-u cenzurze. Wraz z rotmistrzem Pileckim zostali skazani:

•Maria Szelągowska - kara śmierci
•Tadeusz Płużański - dwie kary śmierci (zamienione na dożywocie)
•Ryszard Jamontt-Krzywicki - 8 lat więzienia
•Maksymilian Kaucki - 12 lat więzienia
•Witold Różycki - 15 lat więzienia
•Makary Sieradzki - dożywotnie więzienie
Akta sprawy