U bombardovací 311. perutě byl vycvičen jako jeden z prvních - v posádce č. 10 seržanta Křivdy. První start jejich Wellingtonu MK.IC – T2577 s imatrikulací KX-G však skončil tragicky - 16.12. 1940 při startu z East Wrethamu u Norfolku havarovali, velitel seržant Křivda zahynul spolu s Jiřím Janouškem a Jaromírem Toulem, Josef Doubrava byl zraněn, Josef Pavelka těžce raněn. Pouze Vladimír Nedvěd přežil bez zranění. Pavelka byl s poraněnou páteří převezen do nemocnice, kde dlouhé měsíce ležel v sádrovém krunýři. K jednotce se vrátil až po dvou letech, a to do B-Flightu posádky F/Lt. Fencla. V té době byly Wellingtony nahrazovány novými B-24. Proto byl odeslán k výcvikové peruti No. 111 OTU. Ta měla sídlo v Nassau na Bahamských ostrovech. 7.2. 1944 byl zařazen do kurzu č. 20 k v posádce č. 15 P/O Pavelky, kde byli též vycvičeni: Sgt. Šnobl Josef, Sgt. Klemens František, Sgt. Malý František, Sgt. Novák Jan, Sgt. Novák Valentin. Při výcviku létal na letounech B-25J (Mitchell B.MK.III) a B-24D (CGR III. A-5). Výcvik byl ukončen 29.4. 1944. V té době 311. bombardovaní peruť patřila pod Coastal Command RAF (od 27.5. 1943 do 3.8. 1945). Její hlavní úlohou bylo vyhledávání a ničení nepřátelských ponorek v Atlantickém oceánu.

Na svůj první bojový let jako kapitán B-24 startoval Josef Pavelka 15. srpna 1944 z anglického Tainu s letounem PP-H (2723) a s posádkou F/O Jiří Osolsobě, František Klemens, Jan Novák, Valentin Novák, Dezider Neméth, Miloš Říkovský a Josef Szarkozy. Většinu ze 16 bojových letů absolvovali spolu. Další Liberator, který pilotoval byl PP-Z (B2751), PP-Y (FL949), popř. PP-U (FL982), anebo pak např. 30. srpna PP-C (BZ750). V srpnu hlídkovali nejenom v Severním moři, ale i v Biskajském zálivu. V září je jejich hlídkování a vyhledávání německých ponorek zavedlo až k Islandu, kde posádce vysadil umělý horizont, přesto se dokázali vrátit domů. Že u jednotky neměly posádky přiděleny jednotlivé stroje svědčí i to, že 17. září se na misi vypravili s Liberatorem PP-Z (BZ751). V říjnu pak uskutečnili několik letů v trvání 12-14 hodin.

Největšího úspěchu posádka Josefa Pavelky dosáhla 29. října s letounem PP-Y, kdy jejich raketové střely AP 25 prorazily trup ponorky U-1060 a posléze shozené pumy ponorku též zasáhly. Na ponorce kapitána Bramera bylo 15 námořníků mrtvých, 43 přežilo, ale ponorka byla odepsána. Na ponorku útočili i anglické perutě a též další Liberatory 311. perutě.

6. listopadu velitel letounu Josef Pavelka s posádkou přeletěl do Severního Irska do přístavu Londonderry, kde se zúčastnili protiponorkového kurzu. Angličtí námořníci jim umožnili několik plaveb a ponorů v ponorkách z anglické výzbroje. 18. listopadu se vrátili nazpět na základnu do Tainu a na další bojový let vyrazili 23. listopadu do oblasti Faerských ostrovů.

Po válce v roce 1946 byl Pavelka superarbitrován pro válečná zranění. Je nositelem řádu generála Milana Rastislava Štefánika, nositelem dvou válečných křížů, medailí Za zásluhy I. třídy, dále pak anglických (Europa Star, AFM, Atlantic Star) a francouzských vyznamenání.