第二次世界大戰期間,波蘭被德國占領,他在一所醫學研究所做飼養昆蟲的工作,停戰後又回到利沃夫大學工作。巴拿赫亦是利沃夫學派的開創人之一。
巴拿赫的主要工作是引進線性賦范空間概念,他建立了其上的線性運算元理論,他證明了作為泛函分析基礎的三個定理,哈恩--巴拿赫延拓定理,巴拿赫--斯坦豪斯定理即共鳴之定理、閉圖像定理。這些定理概括了許多經典的分析結果,在理論上和套用上都有重要價值。人們把完備的線性賦范空間稱為巴拿赫空間。
此外,在實變函式論方面,他在1929年同K.庫拉托夫斯基合作解決了一般測度問題。在集合論方面,他於1924年同A.塔爾斯基合作提出巴拿赫-塔爾斯基悖論。