Zesłany następnie do łagrów na Wyspach Sołowieckich, prowadził badania nad pozyskaniem jodu z wodorostów i możliwościami jego wykorzystania. Według relacji świadków dalej prowadził posługę duszpasterską, ciesząc się dużym autorytetem współwięźniówAntonio Maccioni, „Pavel Aleksandrovič Florenskij. Note in margine all'ultima ricezione italiana”, eSamizdat, 2007, V (1-2), pp. 471–478 .
W 1937 został przeniesiony w wyniku reorganizacji obozu do Leningradu, a tam następnie w wyniku decyzji trójki NKWD, rozstrzelany 8 grudnia 1937. Według legendy ojca Fłorienskiego skazano za nieujawnienie miejsca ukrycia głowy św. Sergiusza Radoneżskiego, poszukiwanej przez władze w celu zniszczenia (relikwia została przekazana w 1946 do klasztoru Św. Trójcy w mieście Siergijew Posad, przez Pawła Gołubcowa). Oficjalnie według danych radzieckich, Pawieł Fłorienski zmarł 8 grudnia 1943, gdzieś na Syberii, jednak według ujawnionych po rozpadzie ZSRR dokumentów NKWD, najprawdopodobniej został stracony na poligonie artyleryjskim opodal Toksowa, który znajduje się ok. 20 kilometrów na północny wschód od Petersburga i został pochowany w tajnym grobie zbiorowym w Koirangakangas pod Toksowem, wraz z 30 tys.