Druga wojna światowa wybuchła 1 września 1939 roku. Powiat wyrzyski, będący powiatem nadgranicznym, nie był objęty planem obrony przed najeźdźcą. To spowodowało, że już pierwszego dnia wojny (około godziny 11.00) Osiek został zajęty przez wojska niemieckie. Jeszcze nocą z 31 sierpnia na 1 września, urzędnicy państwowi z gminy Wyrzysk wraz z rodzinami wyjechali z Osieka pociągiem na Wołyń. W godzinach porannych przez Osiek ewakuowała się ludność cywilna z północnej i zachodniej części powiatu.

Osiek leżał na styku działania armii „Pomorze”, dowodzonej przez gen. dyw. Władysława Bortnowskiego, oraz armii „Poznań”, dowodzonej przez gen. dyw. Tadeusza Kutrzebę. Na okolice wsi nacierała zmotoryzowana brygada „Netze”, którą dowodził gen. von der Gablenz. Brygada „Netze”, wsparta grupami dywersantów zbiegłych z polskich terenów przygranicznych, opierała się w toku natarcia o linię Noteci. Pierwszą ofiarą wojny w Osieku był żołnierz Wojska Polskiego, nieznany z nazwiska, który zginął przy moście na Noteci. Jego prochy złożono na miejscowym cmentarzu.

Osiek nad Notecią, wraz z całym powiatem wyrzyskim znalazł się w nowoutworzonym regionie Rzeszy Gdańsk – Prusy Zachodnie (Reichsgau Danzig – Westpreussen). Region ten dzielił się na trzy okręgi regencyjne: Gdańsk, Kwidzyn i Bydgoszcz. Osiek wszedł w skład okręgu bydgoskiego.

Z chwilą wejścia wojsk hitlerowskich zostały przywrócone nazwy miejscowości z okresu zaboru pruskiego. Osiek nad Notecią stał się z powrotem wsią o nazwie Netzthal. Stacji kolejowej w Osieku nadano nazwę Wirsitz – Netzthal (Wyrzysk – Osiek). Warto przy okazji nadmienić, że we wsi mieścił się posterunek Policji Niemieckiej, który ulokowano w budynku, w którym przed wojną mieściła się plebania.

Dnia 20 września 1939 roku Reichsführer SS Heinrich Himmler wydał polecenie szefowi Urzędu Uzupełnień SS Gottlibowi Bergerowi, aby na zajętych terenach zorganizować z miejscowej ludności niemieckiej „Selbstschutzu” (Samoobrony). Organizacja Selbstschutzu w powiecie wyrzyskim odznaczała się szczególnym okrucieństwem. Podlegała bezpośrednio Inspektoratowi VI w Bydgoszczy. Komendantem powiatowym Selbstschutzu w Wyrzysku był Kreisführer Walter Koepenick. Dążył on do tego, aby lokalne oddziały organizacji powstawały we wszystkich większych skupiskach niemieckich. Jeden z lokalnych oddziałów Selbstschutzu powstał w Osieku nad Notecią.

W roku 1941 inne rozporządzenie Heinricha Himmlera nakazywało osiedlanie Niemców w Polsce w trzech pasach. Pas pierwszy nazwany „die Brücke” (Most) rozciągał się od Wrocławia przez Kalisz i Włocławek do Działdowa. Pas drugi – „die Grenze der Wehrbauern” (Granica Zbrojnych Chłopów) – łączył Wrocław z Prusami Wschodnimi. Pas trzeci – „der Damm” (Grobla) – rozciągał się wzdłuż Noteci, z Piły przez okolice Osieka, Nakła do Bydgoszczy i dalej przez Grudziądz do Działdowa. Napływ Niemców spowodował pogorszenie się sytuacji mieszkaniowej ludności polskiej, szczególnie w miastach. Niektórzy z Polaków zostali zmuszeni do zmiany miejsca zamieszkania. Przykładowo Stanisław Błaszczyński z rodziną musiał opuścić Wyrzysk i przyjechał do Osieka.

W roku 1942 hitlerowcy rozstrzelali w Osieku dwóch żołnierzy radzieckich zbiegłych z obozu. W tym samym roku, o czym już była mowa, Niemcy zamknęli kościół katolicki w Osieku, zamieniając go na magazyn. Okupanci niszczyli wszelkie oznaki polskiej religijności. Zdewastowano m.in. figurkę Matki Boskiej stojącej przy drodze do Wyrzyska, którą wierni postawili w 1926 roku. Ścięto także krzyż stojący przy drodze do Smogulca. Figurka Zbawiciela upadła na trawę i została znaleziona przez Wojciecha Jasiczka, który przechował figurkę przez okres okupacji. Jeszcze tragiczniejszy wymiar walki okupanta z kościołem miało zamordowanie administratora osieckiej parafii – ks. Henryka Krygiera. Został on aresztowany przez Niemców w październiku 1939 roku, uwięziony w klasztorze w Górce Klasztornej koło Łobżenicy a następnie stracony w tzw. Grabówce w Wyrzysku. Przed śmiercią ks. Krygiera skuto drutem kolczastym.

Pod koniec 1944 roku w Osieku, w tartacznej szopie umieszczono polskich robotników przymusowych. Tymczasem ofensywa Armii Radzieckiej w styczniu 1945 roku zaczęła zbliżać się do powiatu wyrzyskiego. Mieszkańcy Osieka coraz częściej obserwowali pociągi podążające na zachód, wypełnione rannymi żołnierzami niemieckimi oraz niemiecką ludnością cywilną. W niedzielę, 21 stycznia 1945 roku Rosjanie dotarli do Nakła. Dzień później kierownik NSDAP w powiecie wyrzyskim – Weber wydał rozkaz o ewakuacji ludności niemieckiej. Już wcześniej niemieckich mieszkańców Wyrzyska przywieziono konno do stacji kolejowej w Osieku. Mieszkańcy Osieka i okolicznych wsi uciekali przez Wyrzysk i Łobżenicę w kierunku Złotowa. Pogoda była wyjątkowo niesprzyjająca. Niemcy jechali odkrytymi wozami w temperaturze -20ºC. Drogi pokryte były zaspami a pola - grubą warstwą śniegu. Niemcy w przekonaniu, że wkrótce powrócą do swoich domostw zabierali ze sobą tylko najpotrzebniejsze rzeczy. Mimo tego zdarzało się, że wozy konne nie były w stanie podjechać pod oblodzone górki. Niektóre z niemieckich matek wyrzucały niemowlęta, aby choć trochę odciążyć wóz. Przynajmniej jedno z takich dzieci zostało przygarnięte i wychowane przez polską rodzinę. Do Osieka przybyła niemiecka kompania alarmowa, licząca około 120 żołnierzy. W miarę zbliżania się wojsk radzieckich, można było wyczuć wśród żołnierzy niemieckich zdenerwowanie, a wśród Polaków oczekiwanie na upragnioną wolność.

Przez skutą lodem Noteć, wieczorem 22 stycznia 1945 roku, dotarła do Osieka czołówka wojsk radzieckich, w liczbie 28 zwiadowców, dowodzonych przez starszego lejtnanta Subilena. Po zorientowaniu się w liczbie radzieckich żołnierzy, liczebniejsza kompania niemiecka przystąpiła do likwidacji zwiadowców. Największe straty Niemcy zadali Rosjanom z karabinu maszynowego usytuowanego na budynku gospodarczym Wojciecha Jasiczka oraz działa ustawionego obok posesji Szurkowskiego. Jedna ze zbłąkanych kul ugodziła śmiertelnie we własnym mieszkaniu Franciszka Grochowskiego. Znaczne straty zmusiły zwiadowców do wycofania się w kierunku Noteci. Pomógł im w tym Stanisław Reginka. Kilku Rosjan schowało się w młynie, lecz zostali zauważeni przez Niemców, którzy miotaczami ognia spalili obiekt i znajdujących się tam żołnierzy. Nie jest znana dokładnie liczba ofiar podpalenia młyna. Przy odgruzowywaniu ruin natrafiono na zwęglone ciała dwóch osób. Dwóch Rosjan skryło się również w piwnicy stojącego nieopodal budynku. Niemcy, nie potrafiąc wywołać ukrytych zwiadowców, łapią na ulicy dwóch Polaków – Bronisława Bąka i Wincentego Polcyna – i karzą im zejść do piwnicy „w celu sprawdzenia, czy nie ma tam szczurów”. Polacy, nie wiedząc, że to podstęp zeszli na dół i wtedy Rosjanie otworzyli ogień. Seria z karabinu maszynowego śmiertelnie ugodziła 26-letniego Bronisława Bąka. Wincenty Polcyn zdołał odskoczyć. Niemcy podpalili pierzyny i szmaty zarekwirowane mieszkającym w pobliżu Polakom i materiałami duszącymi zmusili Rosjan do wyjścia. Zwiadowcy zostali zabrani przez Niemców w nieznanym kierunku.

Synowie Wojciecha Jasiczka – Mieczysław i Stanisław – następnego dnia rano znaleźli w budynku gospodarczym ciężko rannego żołnierza radzieckiego. Rodzina Jasiczków umieściła rannego na strychu i zaopiekowała się nim do czasu wkroczenia głównych sił radzieckich. W czwartek, 25 stycznia, niemiecki oddział stacjonujący w Osieku zaczął samochodami opuszczać wieś. Wyjeżdżając z Osieka, niemieccy żołnierze podpalili cegielnię, w której mieli ukrytą broń. Próbowali również podpalić szkołę, ale wkraczający oddział radziecki udaremnił zamierzenia Niemców.

Żołnierze radzieccy (artyleria konna i piechota) dowodzeni przez majora Januszewskiego, wkroczyli do Osieka 26 stycznia 1945 roku. W walce o wieś poległo przynajmniej 17 żołnierzy. Ich zwłoki złożono w trzech mogiłach na miejscowym cmentarzu. Druga wojna światowa, która w Osieku trwała od września 1939 roku do stycznia 1945 roku pochłonęła życie kilkunastu mieszkańców wsi. Oto ich (niepełna) lista:

• Adler Pelagia – zginęła wraz z trojgiem dzieci w Oświęcimiu;
• Bąk Bronisław (lat 26) – zastrzelony przypadkowo przez Rosjan w styczniu 1945 roku;
• Cerajewska Marta – zginęła wraz z czworgiem dzieci w Oświęcimiu (dwoje dzieci przeżyło);
• Cerajewski Stefan (lat 17) – aresztowany i zamordowany prawdopodobnie w Bydgoszczy;
• Grochowiak Franciszek – ugodzony śmiertelnie przez zbłąkana kulę w styczniu 1945 roku;
• Knioła Paweł (lat 35) – zabrany z miejsca pracy i zamordowany w Wyrzysku;
• Krawiecki Maciej (lat 70) - rozstrzelany na boisku szkolnym w dniu 9 listopada 1939 roku;
• Krygier Henryk ks. – aresztowany w połowie października i zamordowany prawdopodobnie w Wyrzysku;
• Szurkowski Edward (lat 20) – zamordowany prawdopodobnie w październiku 1939 roku w Bydgoszczy;
• Wiśniewska Janina (lat 16) – zginęła w obozie w Stutthofie.