Khi Chiến tranh thế giới thứ hai bắt đầu, Banach là Chủ tịch Hội toán học Ba Lan và là giáo sư tại Đại học Lwów. Là một thành viên của Viện Hàn lâm khoa học Cộng hòa Xô viết Ukraina, và có quan hệ tốt với các nhà toán học Liên Xô, ông được phép giữ vị trí đó mặc cho sự chiếm đóng thành phố của Hồng quân Xô viết từ năm 1939. Banach sống sót các trận chiếm đóng tàn bạo sau đó của quân Đức từ tháng 7 năm 1941 đến tháng 2 năm 1944, sống sót bằng cách hiến máu cho Viện nghiên cứu Typhus của giáo sư Rudolf Weigl. Sức khỏe của ông suy giảm trong thời bị chiếm đóng, và ông bị nhiễm ung thư phổi. Sau chiến tranh Lwów được sáp nhập vào Liên Xô, và Banach qua đời trước khi có thể được đưa về an nghỉ ở Kraków, Ba Lan. Ông được chôn cất tại Nghĩa trang Lyczakowski.
Teoria operacji liniowych (Lý thuyết về các toán tử tuyến tính), 1932, được xem như là công trình có ảnh hưởng lớn nhất của Banach. Trong đó ông hình thức hóa khái niệm bây giờ được biết đến như là không gian Banach, và chứng minh nhiều định lý cơ sở của giải tích hàm. Ông cũng là người khởi xướng và biên tập tạp chí Studia Mathematica.
Ngoài việc là một trong những người sáng lập ra giải tích hàm, Banach cũng có các đóng góp quan trọng vào lý thuyết độ đo, lý thuyết tập hợp, và các ngành khác của toán.