W połowie sierpnia 1939 zmobilizowany. W czasie kampanii wrześniowej, po agresji ZSRR na Polskę, w nieznanych okolicznościach wzięty do niewoli radzieckiej. Od 23 września 1939 przetrzymywany w Kamieńcu Podolskim, gdzie znajdował się punk zdawczo-odbiorczy NKWD dla jeńców wojennych. Następnie osadzony w obozie jenieckim w Kozielsku. Jego brat Wiktor Bross, profesor medycyny ze Lwowa, zawiózł mu paczkę z odzieżą. Między 7 a 9 kwietnia 1940 przekazany do dyspozycji naczelnika smoleńskiego obwodu NKWD – lista wywózkowa 014 z 4 kwietnia 1940. Między 9 a 11 kwietnia 1940 został zamordowany w lesie katyńskim 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 w bezimiennych mogiłach zbiorowych, gdzie od 28 lipca 2000 mieści się oficjalnie Polski Cmentarz Wojenny w Katyniu. W miejscu tym prowadzone były ekshumacje i prace archeologiczne, jednak Marian Bross nie został zidentyfikowany.