Nachdem die Rote Armee im Jahre 1944 erneut Lemberg eingenommen hatte, wurde er wieder Mathematikprofessor. Er erneuerte seine Kontakte zu sowjetischen Mathematikern und traf Sobolew bei Moskau. Er plante nach Krakau zurückzukehren und dort zu lehren. Am 31. August 1945 verstarb Banach – der dafür bekannt war, 4-5 Packungen Zigaretten täglich zu rauchen – in Lemberg an Lungenkrebs. Er wurde im Riedl-Monument auf dem Lytschakiwski-Friedhof in Lemberg bestattet.