У ніч на 22 лютого 1938 року Павла Постишева разом із дружиною було заарештовано у справі Станіслава Косіора. 9 квітня 1938 року Постишев пише заяву на ім'я наркома внутрішніх справ Миколи Єжова, у якій запевняв, що має «намір дати органам слідства відверті свідчення про контрреволюційну діяльність проти партії та Радянської влади, яку я проводив протягом кількох років». Слідство констатувало, що Як «японського шпигуна» та «правого троцькіста» Постишева було розстріляно 26 лютого 1939 року в той же день що і Станіслава Косіора та Власа Чубаря. Похований в Москві на Донському цвинтарі.