W dalszym ciągu pozostawał w ewidencji KRU Grodno.
3 września 1939, w czasie kampanii wrześniowej, został mianowany komendantem obrony przeciwlotniczej w Grodnie. Po agresji ZSRR na Polskę, 27 września 1939 dostał się do niewoli sowieckiej. Od kwietnia 1940 przebywał w obozie jenieckim w Kozielsku. Między 7 a 9 kwietnia 1940 został przekazany do dyspozycji naczelnika Zarządu NKWD Obwodu Smoleńskiego (lista wywózkowa nr 014 z 4 kwietnia 1940), pozycja 2. Między 9 a 11 kwietnia 1940 został zamordowany w Katyniu 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. Ofiary tej zbrodni grzebano potajemnie w bezimiennych mogiłach zbiorowych, gdzie od 28 lipca 2000 mieści się oficjalnie Polski Cmentarz Wojenny w Katyniu. W Lesie Katyńskim prowadzone były ekshumacje i prace archeologiczne. W 1943 jego ciało zidentyfikowano podczas ekshumacji nadzorowanych przez Niemców pod numerem 374 – raport dzienny z 21 kwietnia 1943. Przy zwłokach Stanisława Bilmina odnaleziono dowód osobisty.