В феврале 1942 года назначен на должность заместителя командующего 59-й армией по Автобронетанковым войскам, а в июле того же года — на должность командира 25-го танкового корпуса, который вскоре принимал участие в ходе Воронежско-Ворошиловградской операции, во время которой вёл оборонительные боевые действия на чижовском плацдарме южнее Воронежа, а затем в Среднедонской операции наступал по направлению на города Богучар, Слобода и Кашары, за 10 дней боевых действий прошёл более 350 км и вышел западнее города Морозовск. С февраля 1943 года в ходе Донбасской наступательной операции, форсировании Днепра и захвате плацдарма на его западном берегу южнее города Запорожье. Во время этой операции корпус в течение 13 суток вёл тяжёлые боевые действия в отрыве от главных сил армии, во время которых Павлов был ранен, но продолжил командовать корпусом и организовал прорыв из окружения в районе Запорожья, однако попал в плен. Содержался в лагере военнопленных Хаммельсбург, где предпринимались попытки вербовки РОА. За отказ от предложения Павлов был помещён в нюрнбергскую тюрьму, где подвергался пыткам. Вскоре был переведён в концлагерь Флоссенбюрг.