В 1937 году о. Павел был арестован. В России в это время было фактически установлено военное положение, когда аресту подвергалось множество невиновных людей; дела велись зачастую не местными сотрудниками, а военнослужащими войск НКВД, которые производили аресты, вели следствие и участвовали в расстрелах.
Отца Павла арестовали 6 августа в шесть часов вечера. Он только что вернулся с женой и дочерью из леса, где они собирали грибы и ягоды на зиму. Пришло трое сотрудников НКВД. Перевернули весь дом, но ничего не взяли. Жене и дочери, несмотря на просьбы, не разрешили проводить священника до околицы. Повели пешком, попутно производя аресты в других селах. Дошли до села Дымцево, где арестовали глубокого старца, священника Михаила Косухина, который не мог идти; здесь всех арестованных погрузили в машину и повезли в тюрьму.
Следствие по делу о. Павла продолжалось всего четыре дня. Два дня следователь допрашивал крестьян добрынинского прихода, некоторые из которых уже сами были арестованы. На третий день, 9 августа, следователь допросил священника.
— Расскажите о вашей антисоветской и контрреволюционной деятельности.
— Антисоветской и контрреволюционной деятельностью не занимался.
— Как вы рассматриваете факт хождения по домам и сбора подписей для хождения с иконой в период весеннего сева?
— Факт срыва сева я отрицаю, если и был, так только в деревне Ду-бищи, так как мне там были разрешены хождения утром, и в некоторых домах колхозников остались взрослые, хотя о том, чтобы они остались, я их не просил.
— Расскажите о вашей связи с Воиновым Василием Федосеевичем.
— Он мой прихожанин, его дети пели в церкви.
— Какие разговоры вы вели в церкви по вопросам войны и ваши взгляды на будущую войну?
— Разговоров о войне в церкви я никогда не вел. Я думаю, что войны у нас скоро не будет, в чем я убеждён, хотя я об этом никому не говорил.
На следующий день, 10 августа, не выезжая из села, лейтенант войск НКВД закончил следствие, посчитав, что, несмотря на то что священник не признал себя виновным, его виновность в антигосударственной деятельности доказана, и передал дело в Тройку НКВД, которая 13 сентября постановила священника расстрелять. Священник Павел Васильевский был расстрелян через несколько дней, 17 сентября 1937 года.
Причислен к лику святых Новомучеников и Исповедников Российских на Юбилейном Архиерейском Соборе Русской Православной Церкви в августе 2000 года для общецерковного почитания.
Заказать рукописную икону священномученик пресвитер Павел Васильевский