В 1929–1931 в Государственном Русском музее была подготовлена персональная выставка Филонова (не открылась). В 1931–1933 руководил работой МАИ по иллюстрированию финского эпоса «Калевала» для издательства Academia. В 1932 принял участие в выставке «Художники РСФСР за 15 лет» в Ленинграде, а годом позже — в Москве.

3 декабря 1941 умер от голода в блокадном Ленинграде, похоронен на Серафимовском кладбище.

Первая персональная (мемориальная) выставка Филонова состоялась в 1967 в Картинной галерее Сибирского отделения АН СССР в Новосибирске, за ней последовала обширная экспозиция в Государственном Русском музее в Ленинграде в 1988. В 2006–2007 в Государственном Русском музее, а затем в ГМИИ им. А. С. Пушкина прошли ретроспективные выставки «Павел Филонов. Очевидец незримого».

Филонов — один из ведущих мастеров русского авангарда. Он был захвачен искусством архаики, постигал его поэтическую и пластическую сущность, стремясь добраться до самых истоков искусства, и выработал свой собственный неповторимый стиль. При этом Филонов всячески подчеркивал необходимость мастерства или «сделанности» — тщательной выписанности каждой детали, каждого звена («каждого микрона изображения»), добиваясь эффекта живого движения материи. Любое явление художник воспринимал во множестве измерений, свои впечатления и наблюдения он совмещал в одном изображении на рисунке или картине. Синтез архаики и современной аналитики составляет основу филоновского стиля. На его мировоззрение огромное влияние оказали строгая академическая выучка (Филонов высоко ценил таких мастеров как И. К. Айвазовский и В. В. Верещагин, прекрасно владевших техникой живописи и рисунка), искусство символизма, в особенности творчество М. А. Врубеля, работы мастеров Северного Возрождения и неопримитивизм.

Жизнь самого Филонова была подобна легенде: он жил как подвижник, убежденный и преданный своим идеям, своему искусству, которое, по его мнению, способно активно влиять на людей, никогда не продавал свои картины, мечтая передать их государству для организации Музея аналитического искусства.

Творчество Филонова представлено в ряде музейных собраний, в частности в Государственной Третьяковской галерее, ГМИИ им. А. С. Пушкина (в основном отдельными произведениями). Самая значительная коллекция работ мастера находится в Государственном Русском музее (свыше 400 живописных и графических работ).