در این ایام به فراگیری فنون و آموزشهای نظامی پرداخت و با شروع جنگ تحمیلی در شهریور ماه سال 1359، از طریق سپاه پاسداران انقلاب اسلامی به طور داوطلبانه عازم جبهه‌های نبرد شد.
در آنجا مسئولیت‌هایی، از جمله: مسئولیت تدارکات سپاه «سوسنگرد» را به عهده گرفت و علاوه بر این در عملیات متعددی از جمله عملیات 59/12/26 و عملیات 60/2/31 شرکت کرد که در عملیات آخر از ناحیه دست مجروح شد.
پس از بهبودی به سوسنگرد بازگشت و مسئولیت رساندن تدارکات به خطوط عملیاتی را بر عهده گرفت. در عملیات طریق القدس شرکت و از ناحیه سینه مجروح شد. پس از این عملیات فرماندهی سپاه پاسداران انقلاب اسلامی سوسنگرد به او واگذار شد.
شهید «بسطامی» در عملیات بیت المقدس که در تاریخ 61/12/10 انجام شد، مسئولیت فرماندهی سپاه پاسداران انقلاب اسلامی «سوسنگرد» را به عهده داشت و نقش به سزایی در این عملیات ایفا کرد.
شهید «بسطامی» در خرداد ماه سال 1361 به منظور شرکت در عملیات رمضان، از سمت فرماندهی سپاه سوسنگرد استعفا نمود و علی رغم پیشنهاد مسئولیتهای مختلف به او، مایل بود به عنوان یک رزمنده در عملیات شرکت کند. او در این عملیات از ناحیه دست راست به شدت مجروح شد. پس از ترخیص از بیمارستان به همراه عده‌ای از جانبازان و خانواده‌های شهدا عازم زیارت خانه خدا شد که تاثیر عمیقی بر روحیه و رفتار او داشت.
پس از بازگشت از سفر حج، قصد حضور مجدد در جبهه را داشت، اما دست راست او هنوز بهبود نیافته بود و نیاز به انجام چند عمل جراحی استخوان داشت. به همین سبب پزشک معالجش، شش ماه حضور در «تهران» را برای انجام عمل‌های جراحی او لازم دانست. این دوره مصادف با بازگشایی دانشگاه‌ها بود که او ثبت نام نموده و در کلاسهای درس حاضر شد اما دوری از جبهه برای او قابل تحمل نبوده و با شروع عملیات والفجرمقدماتی در اردیبهشت ماه سال 1362 بلافاصله عازم جبهه شد و در واحد مهندسی رزمی قرارگاه خاتم الانبیاء(ص) در قسمت راه سازی مشغول به خدمت شد. در جریان عملیات والفجر 1 مسئولیت مهندسی رزمی تیپ سیدالشهدا را به عهده گرفت و با شروع عملیات برای احداث جاده حساسی به منطقه تپه دو قلو در جنوب فکه اعزام شد. او و چند تن از رزمندگان چندین شبانه روز بی وقفه بر روی جاده کار کردند. کار احداث جاده تقریبا به پایان رسیده بود و نیروهای عراقی به شدت منطقه را زیر آتش گرفته بودند.
شهید «بسطامی» از رزمندگان خواست که کار را تعطیل کنند و به عقب بازگردند. در حین بازگشت، خمپاره‌ای به زمین نشست و وی و «محمد صفری»، مسئول تدارکات قرارگاه مهندسی رزمی خاتم الانبیاء(ص) به شدت مجروح شدند.
لحظاتی بعد، «محمد صفری» به شهادت رسید و شهید «بسطامی» که از چند ناحیه زخمی شده بود و خونریزی شدیدی داشت، با آمبولانس به پشت خط مقدم جبهه منتقل شد. وی در حین بازگشت زمزمه می‌کرد: الحمدلله، الحمدالله، الهی رضآ برضائک، تسلیما بقضائک، مطیعا لامرک. آخرین جملات او قبل از شهادت چنین بودند: مهدی جان، قربانت بروم، بیا تا ببینمت.
پیش از آنکه آمبولانس به بیمارستان برسد، «غلامحسین بسطامی» به فیض شهادت نائل شد. تاریخ شهادت او 7 اردیبهشت سال 1362 مصادف با 13 رجب (سالروز تولد امیر المومنین علی(ع)) است.
