W tym okresie rozpadło się także jego małżeństwo z Katarzyną Kobro. Pozostawał bez źródeł dochodu. Zatrudniał się do malowania szyldów. Przed wojną oskarżany o bolszewizm, po wojnie – o uprawianie sztuki zgniłego Zachodu. Według informacji zawartych w filmie dokumentalnym Podaj cegłę, czyli polski socrealizm autorstwa Andrzeja Sapiji, Strzemiński zmarł z głodu, jako ofiara systemu komunistycznego w PRL, który uniemożliwiał podejmowanie pracy przez twórców będących w opozycji do socrealizmu. Bezpośrednią przyczyną śmierci była jednak gruźlica.
W ostatnim okresie życia, już będąc w szpitalu, opracowywał książkę Teoria widzenia przy pomocy grupy byłych studentów, w tym m.in. Hanny Orzechowskiej, która ją przepisała na maszynie (książkę wydano jednak dopiero w 1958 już po śmierci Strzemińskiego).
Władysław Strzemiński został pochowany na Cmentarzu Starym w Łodzi w części rzymskokatolickiej. Jego nagrobek zaprojektował Karol Tchorek w 1962 (renowacja w 2013).
Z Katarzyną Kobro miał jedno dziecko – córkę Nikę, która po latach opublikowała wspomnienia o rodzicach.