З 21 червня 1941 року — командувач Західним фронтом. Командував військами фронту під час Білостоцько-Мінської битви. В результаті битви основні сили радянського Західного фронту опинилися в оточенні і були розгромлені. 28 червня німецькі війська захопили Мінськ. 30 червня Павлов був відсторонений від обов'язків командувача військами Західного фронту і викликаний у Москву. Командування фронтом було передано генерал-лейтенанту А.І. Єременку. У Москві Павлов намагався добитися особистої зустрічі із Сталіним, але генерала прийняв В.М.Молотов, який був першим заступником Сталіна. Після цього Павлов був знову відправлений на фронт як заступник командувача Західним фронтом. 4 липня 1941 року Павлов був заарештований у містечку Довськ і доставлений у Москву.