Под давлением следствия Арсения оговорили некоторые из допрошенных насельников монастыря, в том числе и настоятель. После получения 3 ноября 1767 г. дополнительных материалов следствия А.А. Вяземский составил записку императрице, а 20 декабря 1767 г. вышел Высочайший указ, повторявший основные пункты ранее предъявленных обвинений и повелевавший расстричь Арсения, переименовать в «Андрея Враля», переодеть в «мужичье платье» и сослать в крепость Ревеля. 29 декабря 1767 г. в Архангельской губернской канцелярии над Арсением совершили чин расстрижения, и уже 8 января следующего года он был помещен в специальный каземат Ревельской крепости. Условия его содержания в крепости были оговорены в специальной инструкции, предназначенной обер-коменданту крепости фон Тизенгаузену: не допускать никого на свидания с арестантом, «чтобы сей великий лицемер не привел и других к несчастью». Опасаясь общения Арсения с духовенством, императрица лично приписала к тюремной инструкции: «Попа при смертном часе до него с потребою, взяв с попа подписку под смертной казнью, что не скажет о нем никому». В период частой смены комендантов с 7 июля 1769 г. по 19 марта 1771 г., когда содержанием Арсения заведовали русские офицеры, тюремный режим был относительно благоприятным: его хорошо кормили, выдавали свечи и книги (после его кончины в камере нашли Новый Завет, Псалтирь, Молитвенник, Требник малый и Святцы московские), допускали русских жителей из города. Слухи об этом, а также ширившееся в народе почитание Арсения стали поводом для начала третьего судебного дела. Следствие было поручено начальнику Тайной канцелярии С.И. Шешковскому. С 1771 г. Арсений был безвыходно затворен в своей камере – дверь была заложена кирпичом, оставалось лишь окошко, в которое подавалась пища. В феврале 1772 г. Арсений заболел и пожелал причаститься. Согласно преданию, перед вошедшим священником вместо изможденного узника предстало чудесное видение архиерея в полном облачении. 28 февраля 1772 г. Арсений скончался и вечером того же дня был погребен как мирянин у северной стены деревянной Никольской церкви. На стене каземата до начала XX в. оставалась надпись, выцарапанная Арсением: «Благо мне, яко смирил мя еси». Арсения почитали в народе уже при его жизни невинным страдальцем и святым, распространялись списки его писем в Синод и листки с рассказами о его страданиях и прозорливости. Архимандрит новоторжского во имя святых князей Бориса и Глеба монастыря Феофилакт за рассказ о явлении некоему диакону во сне святителя Димитрия Ростовского, сказавшего, что Арсений – угодник больший, чем он, был лишен сана и сослан в Иркутский монастырь. Подвальная келья Арсения в Корельском монастыре стала местом паломничества богомольцев, в Верхнеудинске (современный Улан-Удэ) могила неизвестного монаха Арсения стала почитаться как место погребения св. мученика Арсения Мацеевича. 14 апреля 1813 г. в память невинных страданий Арсения в Андреевской пустыни Соловецкого монастыря был установлен крест. На последней сессии Поместного Собора РПЦ 28 июня 1918 г. Арсений Мацеевич был восстановлен в сане митрополита. Канонизирован Архиерейским Собором РПЦ 2000 г.