При пожаре 1875 г. сгорел весь интерьер усыпальницы, но гроб с мощами Мелетия остался невредим. Сразу после пожара были начаты работы по восстановлению пещерной церкви. Гроб перевязали шнуром, опечатали и перенесли в другое место. На пожертвования благотворительницы Ильиной были сооружены новая металлическая рака и балдахин. После ремонта гроб в новой раке и уцелевшие во время пожара иконы были поставлены на прежнее место. В Покровском соборе была книга, в которую записывали чудеса, происходившие от мощей и после молитвенного обращения к святителю. К 1918 г. в книге зафиксировали около сотни случаев исцелений больных, подтверждённых подписью их или священнослужителей. В ноябре 1918 г. эту книгу доставили Киевскому и Галицкому митрополиту Антонию (Храповицкому), который инициировал прославление святителя на третьей сессии Всеукраинского православного церковного Собора. По поручению митрополита 7 декабря того же года викарий Курской епархии епископ Белгородский Никодим (Кононов), викарий Харьковской епархии епископ Сумский Митрофан (Абрамов), протоиереи Алексей Маркианович Станиславский и Николай Михайлович Загоровский вскрыли гроб, переоблачили Мелетия в новые архиерейские одежды и составили акт вскрытия. Однако арест митрополита Антония (Храповицкого) и революционные события помешали официальному прославлению Мелетия, которое предполагалось осуществить 12 февраля 1919 г. Позже, в 1948 г., протоиерей Алексей Станиславский рассказал об этих событиях в письме Патриарху Московскому и всея Руси Алексию I (Симанскому). По преданию, в 1942 г., во время Великой Отечественной войны, Мелетий являлся харьковчанам, предсказывая освобождение города от немецко-фашистских захватчиков. В мае 1948 г. по благословению патриарха Алексия I (Симанского) гроб с мощами Мелетия перенесли в кафедральный Благовещенский собор Харькова. К 2017 г. мощи находились в левом приделе великомученицы Варвары, близ клироса. По свидетельству архиепископа Харьковского и Богодуховского Стефана (Проценко), в XX в. Мелетий почитался «как небесный покровитель и заступник» Харькова, и «народный голос уже давно канонизировал святителя». В 1975 г. архиепископ Харьковский и Богодуховский Никодим (Руснак) выступил с инициативой официального прославления Мелетия. Вскоре он составил службу и акафист святителю, которые отредактировал митрополит Ленинградский и Новгородский Никодим (Ротов). 21 февраля 1978 г. Синод принял решение: «Службу и акафист святителю Мелетию, архиепископу Харьковскому, утвердить и благословить их к употреблению во всех церквах Московского Патриархата». 26 февраля того же года в Благовещенском соборе на всенощном бдении Харьковский архиепископ Никодим (Ротов) объявил о решении Синода; была отслужена заупокойная лития по Мелетию, и вместо «вечной памяти» пропето величание. По словам протоиерея Владислава Александровича Цыпина, «это была фактическая канонизация святителя Мелетия (Леонтовича), которая оказалась возможной в тот период лишь в такой завуалированной форме». По свидетельству протоиерея Алексея Станиславского, настоятеля храма Покрова Пресвятой Богородицы в Лыщиковом пер. Москвы, уже к 1950 г. в церкви была икона Мелетия, написанная до 1918 г. В доме харьковского протоиерея Дмитрия Пушкаря (1928–2013 гг.) также хранилась «старинная икона архиепископа Мелетия, написанная ещё до революции». 3 февраля 1980 г. в подвальном помещении харьковского Благовещенского собора архиепископом Никодимом (Ротовым) был освящён первый престол во имя святителя.