Рождён в городе Олонец, Карелия, куда его фамилия была переселена царскими властями в рамках репрессий за участие в Польском восстании 1863 года. Происходил из польской шляхетской семьи носящей Герб Лелива.
С 1910 года проживал в Вильнюсе, где учился в коммерческой школе. С 1914 года был членом запрещённого царскими властями харцерского движения (польск.: ) (в 1916 основал свою группу). В 1921 году сдал экзамен на аттестат зрелости (польск.: matura).
В течение 1918—1921 служил в Войске Польском, сражался во время советско-польской войны. Как кавалерист участвовал в обороне Гродно. 5 августа 1920 поступил в 211 Полк Уланов (польск.: ) и в его рядах участвовал в Варшавском сражении 1920 года, в бою в Рудницкой пуще и во взятии Вильнюса. Дважды награждён Крестом за доблесть (польск: ).
После войны демобилизован. В 1934 был лейтенантом запаса (польск.: ) со старшинством с 1 июля 1925 и 300 местом. Он оставался в списке военнообязанных в Уездном Военном Комиссариате в городе Лида с назначением в 26 Полк великопольских уланов (польск.: ) в городе Барановичи.
В августе 1939 он повторно мобилизован. Сражался против немцев в Польской кампании 1939 года в виде командира взвода в эскадроне дивизионной кавалерии 19 пехотной дивизии Армии «Пруссия» (польск.: ). Последние бои его отряд провёл как партизанское подразделение. Пилецки распустил свой взвод 17 октября 1939 года и перешёл на нелегальное положение.
После окончания Польской кампании 1939 года пробрался в Варшаву и стал одним из организаторов созданной 9 ноября 1939 года подпольной организации Секретная Польская Армия (польск.: ) командируемой Яном Влодаркевичем (польск.: ), позже подчинённой Союзу Вооруженной Борьбы (польск.: ).
19 сентября 1940 во время проводимой немцами уличной облавы (польск.: ) он добровольно сдался немцам (в жилом корпусе на Аллее Войска Польского № 40 в Варшаве) с целью попасть в качестве узника в концентрационный лагерь Освенцим для получения информации и проведения подпольной работы. Он был доставлен в этот концлагерь в ночь с 21 на 22 сентября 1940 года в составе так называемого второго варшавского транспорта, состоявшего из поляков, арестованных немцами.
В ночь с 26 на 27 апреля 1943 года Пилецкому удалось совершить побег из лагеря вместе с двумя соузниками. Вдоль железной дороги они дошли до реки Сола (польск.: , а потом Висла, которую они проплыли в найденной лодке. Католический священник в городке Альверня (польск.: ) предоставил им еду и проводника. Через Тынец (польск.: ), окрестности города Величка (польск.: ) и Неполомицкая Пуща (польск.: ) они пробрались в город Бохня (польск.: ), где скрывались в доме семьи Ожаров на улице Сондецкой. Потом они дошли до города Новы-Виснич (польск.: ) где Витольд Пилецкий нашёл настоящего Томаша Серафинского. Серафинский связал Пилецкого с местным отделом Армии крайовой (польск.: ), где Пилецки предложил свой план атаковать концлагерь Освенцим. Однако его проект вооружённого захвата и освобождения концлагеря не получил одобрения со стороны верховного командования.
В перёд 1943—1944 Пилецкий служил в III отделе Кедыв (польск.: ) Главного Командования Армии крайовой (в том числе в виде заместителя командира разведочно-информационной бригады «Камелеон»-«Еж»), участвовал в Варшавском восстании 1944 года. В начале он сражался в качестве рядового стрелка в роте «Варшавянка» (польск.: ), потом командовал одним из отрядов группы «Хробры II» (польск.: ) в т. н. «Витольдовой Редуте» (польск.: Reduta Witolda) в бывшем помещении редакции газеты «Жечпосполита» (польск.: ). В период 1944—1945 находился в немецком плену в Офлаге VII A Мурнау (польск.: ), потом он был во 2-ом Польском Корпусе (польск.: ) в Италии. В октябре 1945 года, по личному приказу генерала Владислава Андерса (польск.: ) вернулся в Польшу с целью вести в Польше разведывательную деятельность в пользу 2 Корпуса.
Осенью 1945 года организовал разведывательную сеть и начал собирать информацию о положении в Польше, в том числе о солдатах Армии крайовой, заключённых в лагерях НКВД на территории Польши и ссылаемых в Советский Союз. Он получал разведданные из Министерства общественной безопасности (польск.: ), Министерства народной обороны (польск.: ) и Министерства иностранных дел (польск.: ).
Пилецкий игнорировал приказ генерала Владислава Андерса покинуть Польшу в связи с угрозой ареста. Он обдумывал воспользоваться амнистией 1947 года, но в конце концов решил не выходить из подполья.
8 мая 1947 он был арестован, подвергнут пыткам работниками Министерства общественной безопасности.
3 марта 1948 года начался процесс так называемой «Группы Витольда». Пилецкий был обвинён в:
Обвинение в подготовке покушения Пилецкий решительно отверг во время процесса; относительно разведывательной деятельности, он считал её информационной деятельностью в пользу 2 Корпуса, офицером которого он по-прежнему считался. Он не признал себя виновным по остальным пунктам обвинения во время процесса.
Прокурором, представлявшим обвинение Пилецкого, был майор Чеслав Лапиньский (польск.: ), председателем судебной коллегии являлся подполковник Ян Хрыцковян (польск.: ) (оба они — бывшие офицеры Армии крайовой), судьёй был капитан Юзеф Бодецкий (польск.: ). Состав судебной коллегии (один судья и один заседатель) не соответствовал законам того времени.
15 мая 1948 года ротмистр был приговорён к смертной казни и скоро казнён. Приговор был приведён в исполнение в Мокотовской тюрьме (польск.: ) на Раковецкой улице в Варшаве, выстрелом в затылок.
Витольд Пилецкий оставил жену, дочь и сына. Место похорон неизвестно, вероятно, останки были закопаны на свалке мусора около кладбища Повонзки (польск.: ) в Варшаве (т. н. участок «Л» — «лужок» — польск.: kwatera ? — «??czka»).
В Польской Народной Республике всякая информация о достижениях и судьбе Пилецкого запрещалась цензурой.
Вместе с ротмистром пилецким были приговорены:
— Мариа Шелонговская () — смертная казнь,
— Тадэуш Плужаньский () — дважды смертная казнь,
— Рышард Ямонт-Кживицкий () — 8 лет заключения,
— Максимилиан Кауцкий () — 12 лет заключения,
— Витольд Ружицкий (Witold R??ycki) — 15 лет заключения,
— Макары Серадзкий () — пожизненное заключение,
— Ежи Новаковский () — 5 лет заключения.
Тогдашний президент Болеслав Берут не согласился помиловать осуждённого, вероятно потому, что тогдашний премьер Юзеф Циранкевич познакомился с Пилецким в концлагере Освенцим и опасался осведомлённости ротмистра. Существует версия, что Пилецкий был приговорён к смертной казни с одобрения Циранкевича, который после войны заявлял, что он сам якобы являлся основателем подполья в концлагере Освенцим.
Кроме того, племянник Пилецкого утверждает, что Циранкевич был немецким агентом, доносившим также на членов организации. Это вызывает сомнения, поскольку Циранкевич с 1939 года был командиром округа Краков Гвардии Людовой ППС-ВРН (польск.: ), а с 1940 года — приведённым к присяге офицером Союза Вооруженной Борьбы (польск.: ). В частности, он организовал налёт, освободивший из Гестапо Яна Карского (польск.: ). С весны 1944 Циранкевич стал политическим руководителем, а летом 1944 также военным командиром Армии крайовой в концлагере Освенцим.
Пилецкий не знал Циранкевича, а следовательно, он вряд ли мог являться, как некоторые утверждают, нежелательным свидетелем тогдашнему премьеру. В ходе процесса не было оглашено письмо от Циранкевича, в котором он якобы просил судебную коллегию не брать во внимание заслуг Пилецкого. Племянник Пилецкого передаёт непроверенную информацию о том, что в судебных делах, к которым будто бы он имел доступ, находится письмо премьера, в котором содержится следующий фрагмент: Если бы подсудимый захотел сослаться на меня, на наше знакомство по Освенциму, это не может абсолютно ни в коем случае уменьшать его вину и не может повлечь за собой уменьшение приговора. Подсудимый Витольд Пилецкий является врагом Народной Польши, очень вредной личностью, потому он должен понести высшую меру наказания. В судебных делах нет такого письма, никакой же другой отчёт этого не подтверждает.
Главная Военная Прокуратура в 1990 году инициировала пересмотр процесса группы Витольда Пилецкого. Первоначально, заявление предусматривало реабилитацию, однако Тадеуш Плужаньский (польск.: ) добился аннулирования приговора. Объявление приговора недействительным наступило 1 октября 1990 года.
Посмертно Витольд Пилецкий был награждён Командорским крестом Ордена Возрождения Польши (польск: ) (1995). В 2002 году против бывшего прокурора Чеслава Лапиньского, который обвинял ротмистра в его процессе, был внесён Институтом Национальной Памяти акт обвинения. Вынесение приговора не наступило из-за смерти обвинённого в 2004 году.
30 июля 2006 президент Польши Лех Качиньский удостоил посмертно Витольда Пилецкого Ордена Белого орла (польск: ).
После 1990 множество лиц и учреждений приняло участие в почтении его памяти.
Акция была приурочена к 60-й годовщине смерти Витольда Пилецкого, а также к 65-й годовщине его побега из концлагеря Освенцим.