W maju sprecyzowano zadanie tego Oddziału Wydzielonego, który w rejonie Branicy, Brzeźców i Wisły Wielkiej miał stworzyć pas przesłaniania głównej pozycji obronnej dywizji. Podchorążowie i żołnierze przygotowali linię wysuniętych stanowisk obronnych, która po zakończeniu szkolenia i zdaniu egzaminów końcowych przez podchorążych w lipcu została obsadzona żołnierzami 3. batalionu 20. pp (dowodzonego przez mjr Tytusa Brzosko) i 4. batalionu 16. pp. (mjr Stefana Rachwała).
1 września 1939 r. rankiem na tę pozycję wyszło natarcie batalionu czołgów niemieckiej 5. Dywizji Pancernej gen. von Vittinghoffa. Trzy kolejne ataki załamały się w ogniu dział przeciwpancernych. Nieprzyjaciel po stracie 29 wozów bojowych wycofał się na pozycje wyjściowe.
Nocą z 1 na 2 września główne siły pułku przemaszerowały z rejonu Zatora gdzie skoncentrowana była 6. DP do Pszczyny i Ćwiklic. 1. batalion, stanowiący odwód pułku, rozlokowano z pałacowym parku w Pszczynie, batalion 2. bronił siedmiokilometrowego odcinka od Goczałkowic nad Wisłą do Pszczyny, 3. batalion obsadzał ponad czterokilometrowy odcinek od Pszczyny do Starej Wsi. Pozycja obronna składała się z pojedynczego rowu strzeleckiego osłoniętego zasiekami z drutu kolczastego, 16 betonowych schronów bojowych wyposażonych w ckm i kilku drewnianych schronów bojowych ze stanowiskami broni maszynowej. Za nimi, w rejonie Ćwiklic, bez żadnej osłony terenowej, znajdowały się stanowiska 12 armat z 2. dywizjonu 6. pułku artylerii lekkiej mjr Jana Gintela i punkt dowodzenia pułku.
Około godziny 10, na tak przygotowaną linię obrony, uderzyły główne siły 5. DPanc. – czołgi wsparte piechotą zmotoryzowaną. Po kilkudziesięciu minutach pozycja 3. batalionu został przerwana, a niemieckie czołgi przedarły się na tyły obrony. Ani piechota, rozciągnięta na zbyt szerokim odcinku obrony, ani pozbawione osłony armaty nie były w stanie ich zatrzymać. Przed godziną 12 polska obrona w rejonie Starej Wsi przestała istnieć. Ewakuowano zagrożone przez czołgi stanowisko dowodzenia pułku w Ćwiklicach, skąd w ostatniej chwili dowódca piechoty dywizyjnej 6. DP płk Ignacy Misiąg nakazał przeprowadzenie kontrataku przez pozostałe bataliony 20. pułku i 16. pp z odwodu dywizji zajmującego stanowiska w lesie Brzeziny.
Mjr Ludwik Bałos, dowodzący w Pszczynie dwoma batalionami 20. pp, widząc bezsens kontrataku piechoty na czołgi manewrujące po odkrytym polu, nie wykonał tego rozkazu. Odwrotnie postąpił dowódca 16. pp. Jego bataliony straciły około 300 zabitych, dziesiątkowane ogniem karabinów maszynowych i wgniatane w ziemię gąsienicami czołgów, które w tej walce poniosły jedynie znikome straty.
Po rozbiciu kontratakujących sił polskich Niemcy sforsowali czołgami Pszczynkę i w rejonie Jankowic zaatakowali i zniszczyli większość stanowisk 6. dywizjonu artylerii ciężkiej i 1. dywizjonu 6. pal, a rejonie Jawiszowic dotarli do niebronionej na tym odcinku Wisły i rozpoczęli budowę mostu.
W Pszczynie, na niemieckich tyłach, pozostały dwa bataliony 20. pp i resztki 16. pp. Blokowały tamtejszy węzeł dróg uniemożliwiając dowóz paliwa i amunicji dla czołgów 5. DPanc. Braki w zaopatrzeniu zmusiły Niemców do zatrzymania pancernego zagonu i skłoniły do dwukrotnego podjęcia próby zdobycia Pszczyny przez piechotę zmotoryzowaną wspartą nalotami bombowców nurkujących. Obie te próby załamały się w ogniu polskiej piechoty i moździerzy. 9. kompania ppor. Szolla, odcięta na lewym skrzydle obrony w Goczałkowicach wytrwała na stanowiskach do godziny 19, następnie przeszła Wisłę pod Dziedzicami i odeszła w kierunku Kęt. Niemieckie publikacje dotyczące tych walk są pełne podziwu dla sprawności i odwagi obrońców. Ich autorzy wielokrotnie pisali, że poszczególne gniazda ciężkich karabinów maszynowych i dział przeciwpancernych biły się wszędzie aż do zmiażdżenia ich przez czołgi, a obsługi armat zaskoczone na odkrytych stanowiskach nie opuściły dział do ostatniej chwili niszcząc wiele wozów bojowych.
Płk Kazimierz Brożek, dowódca 20. pułku, od rana był odcięty od swoich żołnierzy. Wyjechał do sztabu dywizji po rozkazy i nie zdołał powrócić na czas do pułku. Co gorsza, zarówno sztab dywizji, jak i sztab Armii nie miały łączności z Pszczyną, ich dowódcy uznali, że 6. DP praktycznie przestała istnieć, a jej pozycja obronna została przełamana. Zarządzono odwrót w kierunku Krakowa i wysadzenie wszystkich mostów na Wiśle, Sole i ich dopływach.
Po zmroku odcięte bataliony 20. pp wraz z taborami podjęły marsz odwrotowy leśnymi drogami w kierunku Chełmka. 2. batalion w momencie opuszczania stanowisk obronnych został ostrzelany w odkrytym polu przez dywersantów i poniósł znaczne straty. Po całonocnej wędrówce pododdziały osiągnęły zachodni brzeg Gostynki, w Myrczku, gdzie powinien być most. Został on wysadzony poprzedniego dnia, gdy sztab Armii „Kraków” otrzymał wyolbrzymiony meldunek dowódcy 6. DP o całkowitym zniszczeniu dywizji pod Pszczyną. W ciągu półtorej godziny kompania pionierów odbudowała go na tyle, że możliwa była przeprawa taborów. Po krótkim odpoczynku podjęto dzienny marsz odwrotowy. Tym razem Luftwaffe ograniczyła się do obserwacji maszerujących oddziałów, które około południa dotarły do mostu na Przemszy, w chwili gdy miał on być wysadzony w powietrze. W ostatniej chwili przekroczono rzekę, jedynie pluton piechoty idący w tylnej straży został odcięty i zniszczony przez niemieckie czołgi.
Po niespełna dwóch godzinach odpoczynku bataliony podjęły dalszy marsz na wschód w kierunku Libiąża gdzie 23. DP przygotowywała obronę. Po południu i wieczorem kolumna kontynuowała marsz do rejonu Bolęcina, gdzie zarządzono odpoczynek i wydanie gorącego posiłku po raz pierwszy od dwóch dni.
Przez cały czas psychoza zagrożenia przez dywersantów utrudniała marsze i odpoczynki żołnierzy.
4 września 1500 ludzi z 20. pp dotarło do Kryspinowa, gdzie czekał na nich mjr Tadeusz Rybka z ośrodka zapasowego pułku z zaopatrzeniem. Bataliony przemaszerowały przez miasto, najpierw do Kobierzyna, potem do Skotnik, Kostrza i Pychowic.
5 września, po uzupełnieniu stanów osobowych 2. i 3. batalionu, pułk odzyskał pełną wartość bojową i brał udział w odpieraniu niemieckiego natarcia na Skawinę. W nocy, na rozkaz gen. Antoniego Szyllinga, dowódcy Armii, pododdziały opuściły pozycje obronne i przez Borek Fałęcki i Prokocim przeszły do Puszczy Niepołomickiej, do odwodu 6. DP. Następnej nocy kontynuowano odwrót, tuż po świcie przekroczono most na Rabie w rejonie Ujścia Solnego. Linia Raby nie została przygotowana do obrony i dlatego wojsko maszerowało w ciągu dnia dalej na wschód. Około południa 7 września w lesie Wał Ruda zatrzymano się na odpoczynek, który już po dwóch godzinach został przerwany rozkazem natychmiastowego marszu na most w Biskupicach Radłowskich. Tam 12. i 16. pp miały zorganizować obronę linii Dunajca, a 20. pp przejść w rejon Dąbrowy Tarnowskiej do odwodu. Niestety marsz nie był możliwy – droga była zablokowana taborami 21. Dywizji Piechoty Górskiej, które miały przeprawiać się w Bobrownikach po moście pontonowym, ale zostały odepchnięte przez Niemców na północ.
W tej sytuacji mjr L. Bałos postanowił przeprawić pułk w bród, zwłaszcza, że otrzymał informację, że most w Biskupicach wysadzono w powietrze. W drodze na przeprawę otrzymał jednak informację od dowódcy 6. pułku artylerii lekkiej, płk. Kondrackiego, że brody pod Otfinowem i Niecieczą nie nadają się do przejścia i że o świcie 6. DP podejmie próbę odbicia mostu w Biskupicach, który wbrew wcześniejszym informacjom stoi w należytym porządku, ale jest opanowany przez niemieckie czołgi.
Ciemności nocy i brak łączności uniemożliwiały wymianę informacji. Z jednej strony oficerski patrol 20. pp na podstawie rozmowy z mieszkańcami Biskupic stwierdził, że most jednak wysadzono. Z drugiej dowódca 3. psp potwierdził wiadomości o planowanym natarciu, ale jego pułk nie zdołał w porę skoncentrować się w Woli Radłowskiej. Mjr L. Bałos zdecydował, że uderzy przed świtem z rejonu folwarku Zabawa, wykorzystując szansę zaskoczenia nieprzyjaciela. 1. batalion miał atakować wzdłuż północnego skraju wsi, a jego 1. kompania dotrzeć do mostu aby stwierdzić jaki jest stan faktyczny przeprawy. 3. batalion atakował Biskupice od czoła po obu stronach szosy, a 2. batalion nacierał wzdłuż południowego skraju wsi, aż do folwarku Szatanówka. Natarcie ruszyło o 4 rano z całym rozmachem, ale wkrótce zostało zatrzymane ogniem dział i karabinów maszynowych czołgów okopanych na podejściu do wsi. Na skrzydłach, gdzie obrona niemiecka była słabsza osiągnięto pewne powodzenie. Na północ od wsi ruszyło także natarcie 3. psp, na południu zdobyto Szatanówkę. Wydawało się, że opanowanie całego rejonu jest już bliskie. Tymczasem pozostałe jednostki 6. DP nie podjęły natarcia. Jeszcze przed świtem udało im się odszukać dobry bród pod Otfinowem i odeszły wraz z 21. DPG za Dunajec. Zamiast nich z kierunku Radłowa uderzyło 50 czołgów niemieckiej 2. DPanc. Bitwa przemieniła się w rzeź polskiej piechoty. Por. Wojciech Wielgus, dowodzący 6. kompanią w Szatanówce, zginął z karabinem przeciwpancernym w ręku, gdy zastąpił poległego wcześniej strzelca wyborowego. Jego kompania została zdziesiątkowana. Poległ w przysiółku Obryłka, wraz ze swoimi kilkudziesięcioma żołnierzami, ppor. Bronisław Osmelak, dowódca 4. kompanii. Pułk stracił 243 zabitych i około 500 rannych.
W czasie największego nasilenia walk, por. Paweł Sawicki, dowódca 1. kompanii, zameldował, że dotarł do mostu. Był on wysadzony i spalony, nie nadawał się zupełnie do wykorzystania. Wiadomość ta mogła doprowadzić do załamania psychicznego walczących żołnierzy, których wysiłek i straty okazały się całkowicie niepotrzebne. Jednak w tym samym czasie nadszedł meldunek kpt. Władysława Krzyściaka, dowódcy 2. dywizjonu 21. pal, że jednostki polskie zakończyły przeprawę pod Otfinowem i dalsze wiązanie sił niemieckich nie jest już potrzebne. 20. pp i 3. psp mogą oderwać się od przeciwnika i brodami pod Konarami, Niecieczą i Otfinowem odejść za rzekę. Wykrwawieni Niemcy (stracili 19 czołgów, 7 samochodów pancernych i ponad 100 zabitych i ciężko rannych, w tym dowódcę jednostki płk. Baumgarta) nie byli w stanie podjąć pościgu za wycofującymi się Polakami. Jedynie Luftwaffe próbowała temu bezskutecznie przeszkodzić, słabo bombardując przeprawy.
8 września rano por. J. Talaga z patrolem łącznościowców 20. pułku natknął się na wschodnim brzegu rzeki, na północ od Biskupic, na niemiecki podjazd pancerny. W tej sytuacji pułk nie podjął próby obrony linii Dunajca lecz odszedł daleko na wschód, za San. Po drodze, 9 września, w bród przeszedł Wisłokę. 10 i 11 września odpoczywał w rejonie Zdziarów. Tam dołączyły do pułku resztki jego 4 batalionu fortecznego por. Krawca. Ponadto do 2. i 3. batalionu wcielono około 200 „rozbitków” z różnych jednostek. Pozwoliło to osiągnąć około 50% stanów etatowych i 70% stanu uzbrojenia. 12 września rankiem otrzymano rozkaz wymarszu, tego dnia i 13 września pułk maszerował przez Domostawy, Janów Lubelski, Momoty i Hutę Krzeszowicką nad Tanew. Później brał udział w nieudanym dwudniowym natarciu 6. DP na Cieszanów, które miało otworzyć drogę Grupy Operacyjnej „Boruta” w kierunku Lwowa. 16 września pułk, wraz z całą 6. DP, bronił linii Tanwi przed niemieckimi 8. i 28 DP. W huraganowym ogniu nieprzyjacielskiej artylerii topniały stany osobowe, ale Niemcy nie zdołali sforsować rzeczki. W nocy, na rozkaz, dywizja odeszła w rejon Józefowa. 20. pp, jak zazwyczaj, stanowił straż tylną. 17 września bronił tam rejonu Pardysówki, w krótkiej, ale zażartej walce jego 1. batalion odparł silny oddział rozpoznawczy niemieckiej 28. DP. Nocą całość polskich sił odeszła w kierunku Tomaszowa Lubelskiego ścigana ogniem artylerii z rejonu Nowin. Po południu 18 września 6. DP przystąpiła do natarcia na Narol. Tym razem 20. pp miał stanowić odwód dywizji i posuwać się z tyłu za nacierającymi pododdziałami 12. i 16. pp, ale już wkrótce musiał wesprzeć jedną kompanią 16. pp, a po dwóch godzinach drugą kompanią 12. pp walczący w Narolu. Miasteczko zostało zdobyte, do niewoli wzięto niemiecki szpital polowy z rannymi i lekarzem. Ulokowano w nim własnych rannych, po czym dywizja ruszyła w kierunku Rawy Ruskiej. 20. pp stanowił straż przednią. 19 września w Werchracie wziął do niewoli kompanię budowlaną, a na miejscowej stacji kolejowej zniszczył transport pojazdów. Przez cały następny dzień maszerowano na południowy zachód. Cały czas pułk był pod obserwacją niemieckich samolotów rozpoznawczych – własnego lotnictwa nie było w ogóle.
20 września 1939 r. przed południem niemiecki parlamentariusz wezwał otoczoną 6. DP do kapitulacji. Generał Bernard Mond zarządził odprawę oficerską. Dowódcy pułków meldowali, że żołnierze są krańcowo zmęczeni marszami i walkami, brakuje żywności, zostało po kilka naboi na karabin, artyleria nie ma już amunicji, skończyły się środki opatrunkowe i ranni zaczynają umierać. W tej sytuacji dowódca dywizji zdecydował przyjąć na siebie odpowiedzialność za kapitulację. Zwolnił zarazem oficerów i żołnierzy z obowiązku pójścia do niewoli. Kto chciał mógł ukryć się w lasach i próbować przedostać za granicę lub walczyć dalej w kraju.
20. pp Ziemi Krakowskiej został rozwiązany. Za bohaterstwo w walkach 17 oficerów, 8 podoficerów i 5 strzelców dowódca pułku przedstawił do odznaczenia Krzyżem Virtuti Militari, dalszych 31 oficerów, 23 podoficerów i 11 strzelców odznaczono Krzyżem Walecznych. Pułk w toku kampanii zniszczył 64 i uszkodził 19 nieprzyjacielskich wozów pancernych.
