W czasie mobilizacji 31 sierpnia 1939 powołany na stanowisko referenta bezpieczeństwa dowództwa etapów Armii „Łódź”. Po wybuchu II wojny światowej, kampanii wrześniowej i agresji ZSRR na Polskę został aresztowany przez Sowietów. Był przetrzymywany w obozie w Kozielsku. Wiosną 1940 został przetransportowany do Katynia i rozstrzelany przez funkcjonariuszy Obwodowego Zarządu NKWD w Smoleńsku oraz pracowników NKWD przybyłych z Moskwy na mocy decyzji Biura Politycznego KC WKP(b) z 5 marca 1940. Jest pochowany na terenie obecnego Polskiego Cmentarza Wojennego w Katyniu, gdzie w 1943 jego ciało zidentyfikowano podczas ekshumacji prowadzonych przez Niemców pod numerem 844 (przy zwłokach zostały odnalezione trzy listy, cztery pocztówki nadesłane przez żonę z adresu ul. Olynricka 11 w Warszawie, nożyczki do paznokci, złote zęby).
Zygmunt Puchalik był żonaty z Jadwigą z Pelczarskich, z którą miał córkę Marię. Ich historia została opisana w książce pt. Dzieci Katynia autorstwa Teresy Kaczorowskiej.
Upamiętnienie thumb|Tabliczka upamiętniająca na ścianie kościoła św.