W kampanii wrześniowej walczył jako dowódca II batalionu 6 pułku strzelców podhalańskich (batalion ten stacjonował w Drohobyczu), wchodzącego w skład 22 Dywizji Piechoty Górskiej. Jego batalion wraz z macierzystą dywizją, walczącą najpierw w ramach Armii „Karpaty”, a następnie Armii „Kraków”, początkowo osłaniał Olkusz, a od 4 września wycofywał się nad Nidę. Przemieszczając się w kierunku Pińczowa, Miechowa i Stopnicy dotarł ze swym pododdziałem w okolice Buska. O świcie dnia 9 września 1939 r. doszło, na zachód od miejscowości Bronina, do pierwszej zwycięskiej walki czołowego II batalionu 6 pspodh. z niemiecką kolumną zmotoryzowaną (był to Oddział Wydzielony VII Korpusu Armijnego). Powiadomiony przez dywizyjnych kolarzy o zbliżaniu się Niemców batalion mjr. Wilczaka rozbił ogniem ckm i działek ppanc. straż przednią wrogiej kolumny. Po godzinie nastąpił jednakże silny kontratak 27 Dywizji Piechoty (z VII Korpusu) wsparty zmasowanym ogniem artylerii, który rozbił polskie oddziały. I i II batalion 6 pułku strzelców podhalańskich straciły około 250 poległych, a wielu polskich żołnierzy dostało się do niewoli. Podczas bitwy pod Broniną major Jan Wilczak został ciężko ranny.