W 1928 w sporze o katedrę logiki matematycznej we Lwowie Leśniewski popierał Tarskiego, lecz posadę otrzymał Leon Chwistek. Ostra krytyka teorii mnogości doprowadziła do zerwania jego stosunków z Sierpińskim i Kazimierzem Kuratowskim oraz do wystąpienia z redakcji Fundamenta Mathematicae. Do jego uczniów z późniejszego okresu życia należeli Jerzy Słupecki, i Henryk Hiż. W 1936 Leśniewski został profesorem zwyczajnym. Zmarł trzy lata później na raka tarczycy, gdy warszawska szkoła logiczna osiągała szczyt rozwoju. W czasie ostatniej choroby jako jedyny z kolegów odwiedzał go w szpitalu Tadeusz Kotarbiński. Został pochowany na cmentarzu Powązkowskim (kwatera 339-5-5).
Jego żoną została Zofia z Prewysz-Kwintów, a wesele Leśniewskich odbyło się w 1913 w Kimborciszkach, rodzinnym majątku żony. Małżeństwo było bezdzietne. Zdaniem Jadackiego to ziemiańsko-kresowe środowisko, z którego pochodziła, prawdopodobnie najsilniej ukształtowało osobowość, wrażliwość i wyobraźnię Leśniewskiego. Jadacki uważa też, że Kotarbiński, typowy mieszkaniec Polski centralnej, błędnie rozpoznawał jego mentalność jako „duszę rosyjską”.