劇場版三部作として描かれる『無限城編』において、実弥は物語のクライマックスを牽引する中心人物となります。特に上弦の壱・黒死牟（こくしぼう）との戦いは、全編を通じても屈指の壮絶さを誇ります。
岩柱・悲鳴嶼行冥、霞柱・時透無一郎、そして鬼を喰らって異能を得た玄弥とともに挑んだ黒死牟戦。実弥は腹部を深く斬り裂かれ、内臓が零れ落ちそうになりながらも筋肉を緊張させて戦闘を続行。自らの稀血で黒死牟の感覚を狂わせ、悲鳴嶼との阿吽の呼吸で刀を交差させて「赫刀（かくとう）」を発現させます。
弟・玄弥の最期と涙の別れ
死力を尽くした共闘の末、黒死牟の撃破に成功したものの、身体を両断された玄弥の崩壊は止められませんでした。「兄貴…迷惑ばかりかけてごめん…」「兄貴には幸せになってほしい」と消えゆく弟に対し、実弥は血まみれの手で抱きしめながら、
「頼む神様、どうか弟を連れて行かないでくれァ！」
と号泣しながら絶叫します。それまで張り詰めていた「荒々しい風柱」の仮面が剥がれ落ち、ただ一人の「兄」として泣き叫ぶこのシーンは、鬼滅の刃屈指の涙腺崩壊エピソードとしてアニメでも語り継がれる名場面です。
最終決戦の結末：実弥は死亡するのか？
玄弥を看取った後、実弥は悲痛な痛みを抱えたまま鬼舞辻無惨との最終決戦へ突入。無惨の猛攻により指を欠損し、瀕死の重傷を負いながらも夜明けまで戦い抜きました。
結論として、不死川実弥は最終決戦を生き残ります（生存）。戦後は炭治郎たちを見舞い、禰豆子に玄弥の面影を重ねて頭を優しく撫でるなど、穏やかな表情を取り戻しました。鬼が消滅した平和な世界で、彼は生き残った義勇らとともに、新たな時代を静かに歩み出しました。
