После жестокого подавления выступления рабочих и солдат в городе начались массовые репрессии, в том числе были расстреляны многие священно- и церковнослужители, миряне – члены приходских советов. 25 марта, в день праздника Благовещения, во время проповеди в Благовещенском монастыре, Митрофан сказал о «погибших в результате ненужных и бесполезных действий гражданских властей». После литургии он отслужил панихиду по невинноубиенным. В конце марта к Митрофану явилась делегация во главе с протоиереями Димитрием Стефановским и Николаем Пальмовым. Понимая нависшую над архиепископом опасность, они предложили Митрофану немедленно покинуть Астрахань. На это Митрофан ответил: «Вы предлагаете мне побег, и это в то самое время, когда у нас на глазах расстреливают невинных наших братьев. Нет, я никуда не уеду от своей паствы, на моей груди Крест Спасителя, и он будет мне укором в моём малодушии». После получения официального разрешения патриарха и Синода на 24 мая 1919 г. было назначено торжественное прославление священномученика Иосифа, Астраханского митрополита. Первоначально центром торжеств предполагалось сделать Успенский собор. Однако 23 мая военные власти закрыли для верующих доступ в кремль. Тогда Митрофан благословил провести торжественное богослужение в близлежащем к кремлю Знаменском храме. 24 мая после окончания литургии верующие крестным ходом направились к Успенскому собору, где покоились мощи священномученика Иосифа. Близ Пречистенских ворот кремля красноармейцы встретили крестный ход огнём из винтовок и пулемётов. 7 июня 1919 г., в канун праздника Святой Троицы, Митрофан служил в Троицкой церкви и после всенощной остановился на ночь у настоятеля, намереваясь провести утром в этом же храме литургию. В первом часу, когда он делал наброски к проповеди, в кабинет настоятеля ворвались вооружённые красноармейцы и арестовали архиепископа. В ту же ночь был арестован и епископ Леонтий (Вимпфен). Архиереев обвинили в организации контрреволюционного заговора с целью отравить цианистым калием высшее военное командование и личный состав воинских частей. Несмотря на ходатайства клира и прихожан нескольких храмов об освобождении Митрофана на поруки и надуманность обвинений, большевистское руководство во главе с председателем Астраханского временного революционного комитета Сергеем Мироновичем Кировым вынесло обвиняемым смертный приговор. В ночь на 6 июля 1919 г. Митрофан и епископ Леонтий (Вимпфен) были расстреляны во внутреннем дворике Астраханской ЧК (в настоящее время в здании Кировского райвоенкомата). Верующим удалось тайно выкупить тела казнённых, их похоронили за городом близ Покрово-Болдинского монастыря. Панихиду отслужил протоиерей Димитрий Стефановский. На могиле сначала сделали маленький холмик, позднее соорудили небольшой памятник из кирпича. В 1930 г. памятник по решению властей был разрушен, чтобы пресечь паломничество верующих астраханцев, после этого могила Митрофана была утрачена. В 1990 гг. предпринимались попытки отыскать место захоронения, но они не увенчались успехом. 27 декабря 2001 г. определением Священного Синода РПЦ имя Митрофана было включено в Собор новомучеников и исповедников Церкви Русской.