Wspaniałą karierę artystyczną choroba nowotworowa mózgu po raz pierwszy przerwała w 2004 roku. Po kilku operacjach, olbrzymiej pracy i wielkim wysiłku, w 2009 roku udało mu się powrócić na estradę. 

O walce, jaką stoczył Dominik Połoński, i o jego nowym życiu opowiada film „Wariacja na wiolonczelę solo” w reżyserii Aleksandry Rek (premiera 2016). Choroba sprawiła, że chodził, lekko utykając, ale przede wszystkim nie mógł posługiwać się lewą ręką. Nauczył się więc grać na wiolonczeli wyłącznie jedną ręką i odważył się znowu wejść na estradę. Instrument został dostosowany do jego możliwości, a kompozytorzy tworzyli specjalnie dla niego. Pierwsza była Olga Hans. Jej „Koncert na prawą rękę”, nad którym razem pracowali, zabrzmiał podczas występu Połońskiego w 2009 roku w Filharmonii Łódzkiej - to był powrót wirtuoza. Pisał dla niego także związany z łódzkim środowiskiem Artur Zagajewski, utwory: „Canzona”, „Płatki żółtej róży” i „brut” (nagrodzony na Międzynarodowej Trybunie Kompozytorów UNESCO 2017).

Tak Olga Hans mówiła o tej współpracy w 2013 roku w wywiadzie dla „Kalejdoskopu”:

- Znamy się już ponad 10 lat. Zaczęło się to od tego, że Dominik wspomógł mnie w wykonaniu utworu, który napisałam na siedem wiolonczel. Zagrał partię solową podczas prawykonania Pieśni słonecznych w Akademii Muzycznej. Nawiasem mówiąc, utwór nadal funkcjonuje wśród wiolonczelistów, bywa grywany, ostatnio został nagrany w studiu w Krakowie i zostanie wydany na płycie. Od tego się zaczęła nasza współpraca. Napisałam jeszcze wtedy dla niego Sonatę na wiolonczelę solo, ale niestety nie zdążył jej wykonać, zachorował. Po jego powrocie do zdrowia wspólnie zaczęliśmy myśleć, co zrobić, żeby Dominik mógł ponownie grać na wiolonczeli. (...)
Dominik zaproponował, żebym pomyślała o utworze, który mógłby zagrać jedną ręką. Najpierw odrzuciłam to jako pomysł absurdalny, ale myśl gdzieś powoli zaczęła kiełkować i zaowocowała Koncertem wiolonczelowym na prawą rękę. Wcześniej, w ramach sprawdzenia możliwości, Dominik wziął udział w wykonaniu mojego utworu na flet i kwartet smyczkowy, który poddałam dla niego drobnym przeróbkom.

Tak o filmie dokumentalny o Połoński pisał na naszych łamach Mieczysław Kuźmicki:

"Kiedy bohaterem filmu staje się artysta żyjący, jest wielkie ryzyko, że to on zdominuje opowieść, że jego osobowość stłamsi autora. Zwłaszcza jeśli spotyka się utytułowany, pewny swojej sztuki profesjonalista z młodą, niemal debiutującą autorką. Tu nic takiego się nie stało. Owszem, widzimy na ekranie Dominika Połońskiego, tego nowego, w różnych rolach i sytuacjach. Jako wirtuoza ćwiczącego i grającego tylko dla niego napisane kompozycje, jako nauczyciela – wymagającego i cokolwiek – mówiąc kolokwialnie - upierdliwego. Jako ojca i męża. Ale przede wszystkim jako człowieka uwikłanego w życie z jego nastrojami, odcieniami. Zwycięskiego, bo przecież gra, ale bez cienia triumfalizmu."
http://www.e-kalejdoskop.pl/film-a213/o-sztuce-zycia-przez-sztuke-r2746

Jednak po dziewięciu latach aktywności artystycznej, pedagogicznej i społecznej choroba wróciła. Mimo to był aktywny także poza akademią i poza muzyką - wszedł do rady programowej zawiązanej w Łodzi Fundacji Instytut Teatralny im. M. Hertza. Dominik Połoński zmarł w wieku 41 lat.