Когда началась война, Великий князь счёл своим долгом вновь поступить на военную службу, но из-за слабого здоровья вскоре был вынужден покинуть армию. Неожиданно в конце 1916 года он оказался в эпицентре политических событий. Узнав, что в убийстве Распутина замешан его сын, Павел Александрович выступил одним из инициаторов шумной, но безрезультатной кампании в его защиту (см. подробнее в разделе о Великом князе Дмитрии Павловиче).

   Великий князь Павел Александрович и его первая жена Александра Георгиевна. 1889 г.

   Во время февральских событий 1917 года Павел Александрович проявил удивительную активность. Он решил спасти династию, предложив свой вариант императорского манифеста о создании нового, «ответственного», правительства, и таким образом пойти на уступки Государственной думе. Этот проект был составлен Павлом и 1 марта скреплён его подписью и подписями Великих князей Кирилла Владимировича и Михаила Александровича, которых ему удалось привлечь на свою сторону. Павел Александрович отправился с этим документом к императрице, но та отнеслась к нему резко отрицательно. Сделать уже всё равно ничего было нельзя – 2 марта Николай II отрёкся в пользу брата Михаила. Это известие вызвало раздражение Павла, почему-то видевшего за всем этим интриги жены Михаила – Н.С. Брасовой. Когда Великий князь снова пришёл к императрице, она ещё ничего не знала о случившемся, и получилось так, что именно он сообщил ей об отречении государя. Затем от престола отказался и Михаил Александрович, и Павел решил, что единственным верным шагом будет признание новой власти.

   Великий князь Павел Александрович и княгиня О.В. Палей. 1914 г.

   Когда в Царском Селе арестовывали императрицу Александру Фёдоровну, она попросила Великого князя прийти к ней, так как боялась оставаться одна с представителями Временного правительства. Дядя сделал всё возможное, чтобы облегчить участь государыни. Сам же он продолжал жить с семьёй в Царском.

   После октябрьских событий Павла Александровича ненадолго арестовали и привезли в Смольный. Как ни странно, в эти четыре дня ареста большевистские вожди обращались с ним весьма уважительно. Но потом всё переменилось.

   Как и другие Романовы, оставшиеся в Петрограде, в марте 1918 года дядя Павел должен был отправиться в ссылку, но, по ходатайству Ольги Валерьяновны, ходившей на приём к главе петроградской ЧК М.С. Урицкому, из-за слабого здоровья остался в Петрограде. Однако это не спасло его от гибели. 12 августа 1918 года Великого князя всё же арестовали. Ольга Валерьяновна, к тому времени уже потерявшая сына Владимира, снова бросилась к властям. Она добилась разрешения посещать мужа в тюремном госпитале. Последняя их встреча произошла в декабре 1918 года. Тогда ещё можно было устроить побег, но Павел Александрович отказался, боясь, что тем самым повредит трём своим кузенам, находившимся в той же тюрьме. Потом всех их перевезли в Петропавловскую крепость и ночью в конце января 1919 года расстреляли во дворе, недалеко от собора, где похоронены их предки. Это убийство было актом революционной мести за убийство в Германии революционеров К. Либкнехта и Р. Люксембург. Но самое кощунственное в том, что оно случилось, когда большевики официально уже отменили смертную казнь. Все усилия Ольги Валерьяновны, в том числе её обращение к М. Горькому, по спасению мужа не дали результата. По легенде, Павла Александровича вынесли к месту расстрела чуть ли не на носилках. 1 ноября 1981 года Русская Православная Церковь за границей причислила Великого князя Павла Александровича к лику святых.