21 czerwca 1941 został mianowany dowódcą Frontu Zachodniego, powstałego na bazie dowodzonego przez niego okręgu wojskowego. W pierwszych dniach operacji "Barbarossa", pozbawiony należytej oceny sytuacji, rozpoznania sił przeciwnika oraz wsparcia lotnictwa (radzieckie samoloty zostały zniszczone na lotniskach w czasie pierwszego dnia agresji) i zaopatrzenia, wykonywał nieskoordynowane kontrataki, z których największy miał miejsce 22 czerwca po południu siłami 4 Armii gen. Korobkowa i jeszcze tego samego dnia został zatrzymany zmasowanymi atakami niemieckiego lotnictwa. Rozkazy kontrataków wydawał w następnych dniach, pomimo przerwania frontu przez Guderiana na północnym i południowym skrzydle. Działania te osłabiły nieznacznie napór niemiecki (na krótko), jednak powodowały olbrzymie straty własne, ostatecznie zaś 30 czerwca radzieckie siły zostały rozbite w kotle białostocko-mińskim. Pawłow został usunięty ze stanowiska, a 4 lipca aresztowany.