Хронологически события развивались так. 30 июня Павлов отстранен от должности и вызван в Москву в распоряжение Наркомата обороны. 1 и 2 июля он в Москве встречается с начальником Генерального штаба Г. К. Жуковым и зампредом Государственного комитета обороны В. М. Молотовым. Жуков эту встречу практически не описывает, упоминает лишь о том, что «его едва узнал, так изменился он за восемь дней войны». 3 июля он получает назначение с понижением в должности — заместителем к поставленному во главе Западного фронта маршалу Тимошенко и выезжает на фронт. 4 июля по дороге в Гомель, где располагался штаб фронта, Павлов был арестован. Иными словами, решение принято где-то вечером или ночью 3 июля. Ненадолго (на неделю) назначенный членом Военного совета фронта Л. З. Мехлис 6 июля доложил Сталину о целесообразности ареста и предания суду еще восьми представителей командования фронта и командиров отдельных соединений. Непосредственно к «делу Павлова» «пристегнут» еще троих: начальника штаба фронта генерал-майора В. Е. Климовских, начальника связи фронта генерал-майора А. Т. Григорьева и командующего Четвертой армией генерал-майора А. А. Коробкова.
О том, что готовится именно показательное «дело», а не расследование конкретной вины руководства Западного фронта, свидетельствует хотя бы тот факт, что двое других командующих разгромленными в Белостокском выступе армиями, генералы В. И. Кузнецов и К. Д. Голубев, находившиеся на момент следствия и суда в окружении и впоследствии из него вышедшие, ни к какой ответственности не привлекались и благополучно впоследствии командовали армиями (Кузнецов даже взял со своей 3-й Ударной армией Рейхстаг).
С самого начала следствия Павлова и Климовских обвиняли в измене. Соответствующие показания о своем участии в «заговоре военных» еще с 1937 года, со времени своей испанской «командировки», Павлов дал (о причинах этого нам судить трудно; исходя из того, что на суде Дмитрий Григорьевич от них категорически откажется, не обошлось без «специальных» мер воздействия). Например, в протоколе допроса от 11 июля есть такие строки: «Тогда же Мерецков сообщил мне, что Тухачевский и Уборевич возглавляют существующую в Красной армии заговорщицкую организацию, которая ставит перед собой задачу сменить негодное, с их точки зрения, руководство Красной армией: «Вот приедем мы домой, — сказал Мерецков — нужно и тебе работать заодно с нами». Вопрос: «Что вы ответили Мерецкову?» Ответ: «Мерецкову я сказал, что глубоко уважаю военный авторитет Уборевича и готов поэтому примкнуть к группе командного состава, которая идет за Уборевичем». Для того чтобы понимать, что речь идет не о кулуарных разговорах группки недовольных Ворошиловым военных, а именно о заговоре, достаточно вспомнить, что И. П. Уборевич был расстрелян в 1937-м по «делу Тухачевского», а К. А. Мерецков в те самые дни под пытками давал разнообразные «признательные показания».
Обвинительное заключение, составленное по итогам двухнедельного следствия, утверждает, что «арестованный Павлов, являясь участником антисоветского военного заговора еще в 1936 г., находясь в Испании, продавал интересы республиканцев. Командуя Западным Особым военным округом, бездействовал. Павлов признал себя виновным в том, что в заговорщических целях не готовил к военным действиям вверенный ему командный состав, ослабляя мобилизационную готовность войск округа, и из жажды мести за разгром заговора открыл фронт врагу».
Суд над четырьмя генералами состоялся в ночь с 21 на 22 июля и продолжался 3 часа 15 минут. Судила их Военная коллегия Верховного суда СССР в составе армвоенюриста В. В. Ульриха и диввоенюристов А. М. Орлова и Д. Я. Кандыбина. В своем последнем слове генерал Павлов сказал: «Я прошу исключить из моих показаний вражескую деятельность, так как таковой я не занимался. Причиной поражения частей Западного фронта являлось то, что записано в моих показаниях от 7 июля 1941 г., и то, что стрелковые дивизии в настоящее время являются недостаточными в борьбе с крупными танковыми частями противника… Я не смог правильно организовать управление войсками за отсутствием достаточной связи. Я должен был потребовать радистов из Москвы, но этого не сделал. В отношении укрепленных районов. Я организовал все, зависящее от меня. Но должен сказать, что выполнение мероприятий правительства было замедлено. Я прошу доложить нашему правительству, что в Западном Особом фронте измены и предательства не было. Все работали с большим напряжением. Мы в данное время сидим на скамье подсудимых не потому, что совершили преступления в период военных действий, а потому, что недостаточно готовились в мирное время к этой войне».