След разгрома на фронта в Бялистокско-Минския котел на 30 юни е отстранен от командването и е понижен в длъжност заместник-командващ фронта, арестуван е на 4 юли. Предявено му е обвинение в „проявяване на страх, бездействие с властта, отсъствие на разпоредителност; влошаване на управлението на войските, предаване на оръжия и складове на противника; самоволно оставяне на бойни позиции от частите на Западния фронт, давайки на врага възможност да пробие фронта...“ На 22 юли 1941 г. Военната колегия на Върховния съд на СССР осъжда Павлов на смърт, конфискация на имуществото и лишаване от военно звание. и още същия ден е разстрелян и погребан на подмосковския полигон на НКВД.