Po aklimatyzacji do realiów okupacyjnych przydzielony jako kierownik pracowni fotograficznej (przy ul. Chłodnej 20) do Wydziału Legalizacji i Techniki Oddziału II Komendy Głównej Armii Krajowej, dowodzonego przez Stanisława Jankowskiego „Agatona” i zajmującego się produkcją fałszywych dokumentów i wywiadem. Specjalnością Stefana Bałuka była mikrofotografia. Robił również wiele zdjęć okupowanej Warszawy, m.in. pomnika Lotnika na placu Unii Lubelskiej z wymalowaną na cokole „kotwicą” – znakiem Polski Walczącej. Przed wybuchem powstania warszawskiego sporządził dokumentację fotograficzną niemieckich umocnień w Warszawie.
W powstaniu warszawskim jako zastępca dowódcy plutonu „Agaton” kompanii „Zemsta” batalionu „Pięść” Zgrupowania „Radosław” na Woli, Starówce i Żoliborzu. Jego dowódca Stanisław Jankowski, dowódca plutonu „Agaton” mawiał o nim, że „o swoją lajkę i zapas filmów dbał równie jak o stena i magazynki, które dostał w Kampinosie”. Dokumentował życie powstańcze na zdjęciach. Jego laboratorium fotograficzne mieściło się w kamienicy przy ul. Chłodnej 20. Uczestniczył w kilku wypadach w celu nawiązania łączności, m.in. 13/14 sierpnia przedarł się przez pozycje niemieckie w rejonie Dworca Gdańskiego na Żoliborz, dostarczając kwarce do radiostacji płk.