Pavlov osallistui vuoden 1939 Halhin-Golin taisteluihin ja komensi talvisodassa reservijoukkoja. Heinäkuussa 1940 hänet nimitettiin Valko-Venäjän sotilaspiirin (heinäkuusta 1940 alkaen läntinen sotilaspiiri) komentajaksi. Hän sai helmikuussa 1941 armeijakenraalin arvon. Saksan hyökkäyksen alkaessa 22. kesäkuuta 1941 Pavlov sai komentoonsa läntisen rintaman, joka ulottui Liettuan etelärajalta Pripetille. Suurhyökkäykseen valmistautumattomana hän kärsi heti sodan ensi päivinä massiivisia tappioita, ja jäljelle jääneet joukot joutuivat perääntymään viikossa yli 350 kilometriä välttääkseen saarroksiin joutumisen. Pavlov erotettiin 30. kesäkuuta tehtävästään ja kutsuttiin Moskovaan, jossa hänet pidätettiin 4. heinäkuuta. Häntä vastaan nostettiin syyte, jonka mukaan hän oli kuulunut neuvostovastaiseen salaliittoon ja romahduttanut tahallaan rintaman. Korkeimman oikeuden sotakollegio tuomitsi hänet kuolemaan 22. heinäkuuta ja hänet teloitettiin samana päivänä. Samassa yhteydessä tuomittiin hänen esikuntapäällikkönsä Vladimir Klimovskih, viestintäpäällikkö Andrei Grigorjev ja 4. armeijan komentaja Aleksandr Korobkov.