Летом 1928 года Флоренский был сослан в Нижний Новгород. Хотя через три месяца он был возвращен и восстановлен в должности по ходатайству Е. П. Пешковой, обстановка в Москве к тому времени была такой, что Флоренский говорил: «Был в ссылке, вернулся на каторгу».
Авторы всевозможных пасквилей пытались представить его как закоренелого врага и тем подготовить общественное мнение к осознанию неизбежности и необходимости репрессий. Особенно жестокой травле подвергся Флоренский за истолкование им теории относительности в книге «Мнимости в геометрии» и за статью «Физика на службе математики» («Социалистическая реконструкция и наука», 1932).
26 февраля 1933 года Флоренский был арестован по ордеру Московского областного отделения ОГПУ, а 26 июля 1933 года осужден особой тройкой на 10 лет и отправлен по этапу в восточно-сибирский лагерь. 1 декабря он прибыл в лагерь, где его определили работать в научно-исследовательском отделе управления БАМЛАГа.
10 февраля 1934 года он был направлен в Сковородино на опытную мерзлотную станцию. Здесь Флоренский проводил исследования, которые впоследствии легли в основу книги его сотрудников Н. И. Быкова и П. Н. Каптерева «Вечная мерзлота и строительство на ней» (1940).
В конце июля и начале августа 1934 года к Павлу Александровичу смогли приехать жена A. M. Флоренская с младшими детьми Ольгой, Михаилом и Марией (в это время старшие сыновья Василий и Кирилл были в геологических экспедициях).
Это последнее свидание Флоренского с семьей состоялось благодаря помощи Е. П. Пешковой. 17 августа 1934 года Флоренский неожиданно был помещен в изолятор лагеря «Свободный», а 1 сентября отправлен со спецконвоем в Соловецкий лагерь особого назначения. 15 ноября он начал работать на Соловецком лагерном заводе йодной промышленности, где занимался проблемой добычи йода и агар-агара из морских водорослей и сделал более десяти запатентованных научных открытий.
25 ноября 1937 года Флоренский был вторично осужден — «без права переписки». В те времена это означало смертную казнь. Официальная дата кончины — 15 декабря 1943 года, — первоначально сообщенная родственникам, оказалась вымышленной. Трагическое окончание жизни осознавалось П. А. Флоренским как проявление всеобщего духовного закона: «Ясно, что свет устроен так, что давать миру можно не иначе, как расплачиваясь за это страданиями и гонениями» (из письма от 13 февраля 1937 года).
Флоренский был посмертно реабилитирован, а полвека спустя после его убийства семье из архивов госбезопасности передали рукопись, написанную в тюрьме: «Предполагаемое государственное устройство в будущем» — политическое завещание великого мыслителя. Будущую Россию (Союз) Флоренский видит единым централизованным государством во главе с человеком пророческого склада, обладающим высокой интуицией культуры.