Участва в Руско-турската война (1877-1878). В началото на 1877 г. е назначен за командир на 4-ти армейски корпус. Включен е в състава на Западния руски отряд с командир генерал-лейтенант Николай Криденер. От 25 юли / 6 август е началник на всички руски сили, действащи срещу Западната османска армия на Осман паша при Плевен. От 21 август / 2 септември 1877 г. номинален началник на Западния руски отряд е румънският крал Карол I, а генерал-лейтенант Павел Зотов е началник на щаба (фактическият началник). На Военен съвет на Действуващата руска армия, проведен в село Пордим излага плана за третата атака срещу Плевен. В неуспешния щурм са хвърлени 75 000 войника, 8600 кавалеристи и 424 оръдия. Заменен е на поста от генерал от инженерните войски Едуард Тотлебен. В предприетата пълна блокада на Плевен генерал-лейтенант Павел Зотов е началник на 3-ти блокаден участък. Организира плътна блокадна линия от укрепителни съоръжения: ложименти (стрелкови гнезда), окопи, траншеи, редути, батарейни позиции и др. След превземането на Плевен отново е командир на 4-ти армейски корпус.