26 февраля 1938 года снят со всех постов. В ночь на 22 февраля 1938 года вместе с женой Т. Постоловской арестован на своей московской квартире[5]. 9 апреля 1938 года Постышев написал заявление на имя наркомвнудела Николая Ежова, в котором заверил, что намерен «дать органам следствия откровенные показания о контрреволюционной деятельности против партии и Советской власти, которую я проводил в течение нескольких лет»[5]. Следствие констатировало, что «Постышев П. П. на протяжении нескольких лет был членом центра право-троцкистской организации на Украине. В проведении вражеской работы был связан с Косиором, Чубарем, Балицким, Якиром, Ашрафяном, Вегером, Косаревым и другими. Принимал активное участие в организации и руководстве диверсионно-вредительской работой на Украине. С 1920 года был агентом японской разведки, которой поставлял важнейшие шпионские сведения по Советскому Союзу»[5]. Расстрелян 26 февраля 1939 года в Бутырской тюрьме, труп кремирован в Донском крематории.

Первая жена — Анастасия Николаевна Коновалова, ссыльная революционерка. После Февральской революции осталась в Усть-Уде, а отец забрал сына с собой.
Сын — Валентин (1916 — расстрелян 26 августа 1938 г.),
Вторая жена — Постоловская Татьяна Семеновна. Учительница, была в партийном подполье и партизанском движении на Дальнем Востоке, познакомилась с Постышевым в 1917 г. и вышла за него замуж в 1920 г. Арестована одновременно с мужем, расстреляна 26 февраля 1939 года.
Сыновья — Леонид и Владимир (приговорены к длительным срокам, реабилитированы в 1950-е гг.).

Нехреново его семью покосили.