Tiden i fangenskap ble tilbragt under komfortable forhold. Et avbrekk kom da han 11. februar 1946 ble ført til Nürnberg for å vitne i Nürnbergprosessen. Han ble under dette oppholdet hele tiden holdt i sovjetisk varetekt. I sitt vitneprov snakket han blant annet om sin egen rolle i planleggingen av Operasjon Barbarossa og dennes karakter både som erobringsfelttog og utryddelsesfelttog. Hans vitneprov passet helt perfekt til den sovjetiske anklageprosedyren og var særlig belastende for Hermann Göring, Wilhelm Keitel og Alfred Jodl. mini|175px|På pressekonferanse i Øst-Berlin 2. juli 1954 etter løslatelsen I mai 1950 meldte Sovjetunionen at de hadde løslatt sine siste tyske krigsfanger. Nesten to millioner tyske krigsfanger hadde da blitt hjemsendt. Imidlertid ble stadig 28 000 tyskere holdt tilbake, da sovjeterne betegnet dem som dømte krigsforbrytere. Paulus måtte forbli i fangenskap av uklare grunner ettersom han ikke hadde status som krigsforbryter. Han ble imidlertid løslatt i 1953 etter Walter Ulbrichts intervensjon.