Последней работой Ивана Яковлевича Билибина стала подготовительная иллюстрация «Русские витязи гонят рыцарей» к былине «Дюк Степанович». За полтора месяца до смерти художник писал:

После возвращения на родину Иван Яковлевич Билибин проживал в Ленинграде. 23 июня 1939 года профессору Билибину была присвоена ученая степень доктора искусствоведческих наук. В последние годы художник работал над иллюстрациями для книги «Слово о стольном граде Киеве и русских богатырях», вместе с С.М. Эйзенштейном жил мыслями о фильме «Иван Грозный», готовил персональную выставку, приуроченную к 40-летнему юбилею творческой деятельности. Однако последующие события рушат все его замыслы.

В первые месяцы Великой Отечественной войны, в сентябре 1941 года, народный комиссар просвещения РСФСР В.П. Потёмкин, понимая значение выдающегося мастера для русского искусства, предложил Билибину эвакуироваться вместе с семьей вглубь страны. Билибин твердо ответил:

С непоколебимой гордостью и мужеством переносил он все лишения, всеми силами старался поддержать людей, его окружавших, отвлечь их от страшной действительности рассказами об увлекательных путешествиях. В октябре из своей полуразрушенной квартиры он ушел в здание Академии художеств, где поселились некоторые профессора и преподаватели. В начале декабря состоялась защита дипломных работ художниками, которые на полтора-два месяца были вызваны с фронта. Иван Яковлевич — член Государственной экзаменационной комиссии — всем своим видом старался показать, что молодые художники должны думать о своем художественном будущем.

В 1942 году, работая над иллюстрацией русских витязей, Билибин почувствовал, что силы покидают его. Не приступая к расцветке акварелью, вверху листа на полях он поставил крестик. Ранее благосклонная к Билибину судьба на этот раз оказалась безжалостной. В ночь с седьмого на восьмое февраля Ивана Яковлевича не стало — он умер от голода, так и не увидев победы. Художник был похоронен в братском захоронении профессоров Академии Художеств на Острове Декабристов.