После обращения в различные столичные клиники муж актрисы решил попытать счастья за границей. Так Полищук оказалась в Израиле. Там был поставлен окончательный диагноз: рак позвоночника, причем уже запущенный. Правда, самой актрисе об этом ничего не сказали, но она все равно догадалась, что ее дела плохи. Вернувшись на родину, она еще какое-то время снималась в «Няне». Но когда в июле ей стало совсем невмоготу, она покинула съемки. Врачи поставили ей инвалидность и назначили пенсию в 4 тысячи рублей. Однако получить эти деньги актриса так и не успела.
Вспоминает фотограф Галина Харитонова: «Когда Люба уже болела, я позвонила ей и поинтересовалась ее здоровьем. „Отстаньте от меня“, — бросила подруга и положила трубку. Я даже немного обиделась, но потом поняла, что ей и правда очень тяжело. Через несколько дней она позвонила, извинилась и попрощалась. А через неделю ее не стало…»
Вспоминает мама актрисы Ольга Пантелеевна: «В последний моей приезд в Москву (из Омска. — Ф. Р.) я застала Любочку лежащей на кровати. Она была худенькая, тоненькая, беспомощная, словно ребенок. Она попыталась улыбнуться и тихо произнесла: „Мамочка, ты ведь меня хоронить приехала…“»
Любовь Полищук скончалась у себя дома в Большом Казенном переулке утром 28 ноября 2006 года. Эту печальную весть в тот же день донесли до миллионов россиян сначала по телевидению, а на следующий день почти все печатные СМИ.
Прощание с актрисой прошло 30 ноября в Доме актера на Арбате. Туда пришли тысячи людей, включая и коллег покойной. Самую трогательную речь сказал Иосиф Кобзон, который когда-то тоже болел раком, но сумел выкарабкаться: «Я говорил ей: „Любаня, я переживал то же самое. А она, смеясь, отвечала: „Все ерунда, я ничего не боюсь“. Она звонила из Израиля и была уверена, что все позади: „Иосиф, я уже снимаюсь!“ Но, к сожалению, она была обречена. И на этом свете ее держали лишь сила воли и терпение близких! А неделю назад, позвонив ей, я не услышал привычной „карнавальной“ интонации. „Иосиф, я жить хочу!“ — в отчаянии прошептала Любаня. Она знала, что уходит!..“»
Похоронили Л. Полищук на Троекуровском кладбище.
Практически сразу после ее смерти ее родные рассорились. Речь идет о сыне актрисы Алексее Макарове и ее муже Сергее Цигале. По словам Макарова:
«После ухода мамы все изменилось. Как выяснилось, эта хрупкая женщина все держала на своих плечах — сплачивала, объединяла. С Сергеем была некрасивая история с наследством.