Po ataku Niemiec na Polskę 1 września 1939 r. prezydent Starzyński starał się zapewnić mieszkańcom stolicy jak najlepszą ochronę. Ogłosił nabór do ochotniczych brygad pomagających zasypanym ludziom i zabezpieczających bombardowane domy. Polecił przygotować miasto do obrony przeciwlotniczej. Apelował do mieszkańców Warszawy o zachowanie spokoju i ładu w mieście.
23 września po raz ostatni zwracając się do mieszkańców Warszawy mówił: "Chciałem, by Warszawa była wielka. Wierzyłem, że wielka będzie. Ja i moi współpracownicy kreśliliśmy plany, robiliśmy szkice wielkiej Warszawy przyszłości. I Warszawa jest wielka. Prędzej to nastąpiło, niż przypuszczaliśmy. Nie za lat pięćdziesiąt, nie za sto, lecz dziś widzę wielką Warszawę. Gdy teraz do was mówię, widzę ją przez okna w całej wielkości i chwale, otoczoną kłębami dymu, rozczerwienioną płomieniami ognia, wspaniałą, niezniszczalną, wielką, walczącą Warszawę. I choć tam, gdzie miały być wspaniałe sierocińce - gruzy leżą, choć tam, gdzie miały być parki - dziś są barykady gęsto trupami pokryte, choć płoną nasze biblioteki, choć palą się szpitale - nie za lat pięćdziesiąt, nie za sto, lecz dziś Warszawa broniąca honoru Polski jest u szczytu swej wielkości i chwały".
Starzyński został aresztowany w gmachu Ratusza w Warszawie przez funkcjonariuszy Gestapo w dniu 27 października 1939 r. Osadzono go początkowo w więzieniu przy ulicy Daniłowiczowskiej w Warszawie, a następnie przewieziono do więzienia na Pawiaku. W więzieniu przy ul. Dzielnej prezydent Starzyński przebywał do dnia 22 albo 23 grudnia 1939 r., kiedy to wywieziono go w nieznanym kierunku.
Prokurator IPN Marcin Gołębiewicz poinformował PAP, że z zebranego materiału dowodowego wynika, iż Starzyński został rozstrzelany pomiędzy 21 a 23 grudnia 1939 r. w Warszawie lub w jej okolicach. Zbrodni dokonali funkcjonariusze Gestapo: oberscharfuehrer Hermann Schimmann, hauptscharfuehrer Weber i unterscharfuehrer Perlbach.
Do tej pory okoliczności śmierci Starzyńskiego, ostatniego prezydenta przedwojennej Warszawy i jej bohaterskiego obrońcy we wrześniu 1939 r., nie były znane. W trakcie śledztwa pion śledczy IPN poddawał weryfikacji kilkanaście hipotez dotyczących dalszych losów Starzyńskiego po jego wywiezieniu z Pawiaka i okoliczności jego śmierci. Pion śledczy Instytutu przesłuchał świadków w Polsce i poza jej granicami (RFN, USA, Francja) oraz przeprowadzono liczne dowody z dokumentów. Kwerendy archiwalne odbyły się m.in. w instytucjach polskich, jak i zagranicznych, w tym w niemieckich: Międzynarodowej Służbie Poszukiwawczej w Bad Arolsen i Centrali Badania Zbrodni Narodowosocjalistycznych w Ludwigsburgu.
