Až do konce života pokračoval v aktivní službě jako vojenský velitel, přestože mu bylo přes 70 let. Zemřel 7. října 1620 během ústupu po bitvě u Cecory proti Turkům v rámci polsko-osmanské války (1620–1621), která znamenala konec moldavských tažení. Bitva se skládala z několika střetů, ve kterých byly polské síly rozdrceny. Během posledního střetu Żólkiewski padl; podle legendy odmítl ustoupit a raději zůstal u zadního voje až do samého konce. Před smrtí se mu prý dostalo požehnání jeho zpovědníka, kněze Szymona Wybierského (Wybierek, Wyberek) z Tovaryšstva Ježíšova, který stál neohroženě po jeho boku. Scénu hejtmanova posledního boje znázorňuje obraz "Bitva u Cecory (1620)," jehož autorem je Walery Eljasz-Radzikowski.