Скончался 7 февраля 1238 года (по другим данным, 1 февраля 1237 года) вместе с князьями — владимирскими мучениками. Святитель принял мученическую кончину при нашествии Батыя. По словам Михаила Толстого, «в мясопустное воскресенье 7 февраля, вскоре после заутрени, началось наступление татар. Владыка Митрофан вместе с великокняжеской семьёй и народом заперлись в Успенском соборе. Собравшиеся приняли иноческое пострижение от епископа Митрофана, исповедались, причастились Св. Таин и приготовились к смерти. Татары завладели городом и, придя ко храму, в котором находился еп. Митрофан с людьми, взломали церковные двери, разложили костры вокруг храма и в самом храме и зажгли. Тогда епископ Митрофан сказал: „Господи, простри невидимую руку Свою и приими в мире души рабов Твоих“, затем благословил всех на смерть неизбежную. Все бывшие в соборе умерли от дыма и мечей неприятельских».