В феврале 1937 года в третий раз, 15 июля приговорён Военной коллегией Верховного суда СССР к расстрелу по обвинению в принадлежности к «террористической группе», якобы готовившей покушение на Сталина. Расстрелян в Лефортовской тюрьме 16 июля 1937 года. Похоронен в общей могиле «невостребованных прахов» на новом кладбище Донского монастыря в Москве.
Дело по обвинению Васильева П.Н. пересмотрено военной коллегией верховного суда СССР 20 июня 1956 года.
Приговор от 15 июля 1937 года в отношении Васильева по вновь открывшимся обстоятельствам отменен и дело за отсутствием состава преступления прекращено.
