Santos, que venceu a Euro 2016 com Portugal, estava no comando da seleção desde janeiro, sucedendo Czeslaw Michniewicz, que caiu logo após a a Copa do Catar.
Em seis partidas, o português venceu três e perdeu outras três.
Após a derrota por 2 a 0 em Tirana no domingo, o português havia dito que não estava pensando em renunciar.
"A escolha de um novo técnico é agora uma prioridade para a diretoria da Associação Polonesa de Futebol (PZPN), portanto, em breve anunciaremos quando será a apresentação do novo técnico", disse o presidente da PZPN, Cezary Kulesza, em um comunicado.
A Polônia está em quarto lugar no Grupo E das Eliminatórias, com seis pontos em cinco jogos.
A próxima partida será contra as Ilhas Faroe, em outubro, seguida de um jogo em casa contra a Moldávia.