处以磔刑，翌日在冒着严寒且衣衫单薄兼赤脚的情况下开始出发步行往长崎，2月5日在长崎西坂之丘处以磔刑而殉教。耶稣会众在三木死后随即禀报罗马教廷，展开了宣福运动。1627年9月14日，三木获教宗乌尔巴诺八世宣福，在其殉教265年后的1862年6月8日，庇护九世将与三木一同被处死的26人封圣，即日本二十六圣人，2月5日则视为「圣保禄·三木与同志殉教者」的瞻礼日，不过由于2月5日也是另一名圣人西西里的阿加莎的瞻礼日，因此按照年代先后，除了日本以外的教会都会延后一天至2月6日才作出纪念，日本的教会则获教廷的特别批