Преподобный был похоронен в Сяндемской пустыни. Впоследствии над местом его погребения поставили деревянную церковь во имя святителей Афанасия и Кирилла Александрийских. В начале XVIII в. пустынь полностью выгорела. В 1720 г., когда начали строить новую церковь, во время копания рва под фундамент были обретены полностью нетленные мощи Афанасия Сяндемского, даже чётки и хартия с разрешительной молитвой в руках угодника были совершенно целы. Несколько суток св. мощи были выставлены для поклонения и потом погребены в прежней могиле. 9 мая 1720 г. Корельский и Ладожский епископ Аарон (Еропкин) освятил новопостроенную церковь также во имя Афанасия и Кирилла Александрийских. Мощи Афанасия Сяндемского находились в храме за правым клиросом у южной стены, над ними была поставлена рака. На раке и перед ней на стене помещались иконы Афанасия Сяндемского, за левым клиросом находилась икона с изображением явления Пресвятой Богородицы преподобным Александру Свирскому и Афанасию Сяндемскому. С именем преподобного местное предание связывало два каменных креста, стоявших при впадении реки Сяндемки в реку Тулоксу: по рассказам, эти кресты приплыли вслед за преподобным против течения реки со стороны ладожского озера. По преданию, каменные кресты на дороге между Сяндемской и Андрусовской пустынями были поставлены преподобными Адрианом Ондрусовским (ум. в 1550 г.) и Афанасием Сяндемским, когда они посещали друг друга. Считалось, что церковь во имя святителя Николая в селе Тулокса построена на том месте, где в своё время Афанасий Сяндемский поставил крест и предсказал постройку храма. Местное прославление Афанасия Сяндемского совершилось предположительно после обретения его мощей. Канонизация преподобного подтверждена включением его имени в Соборы Карельских и Валаамских святых, празднования которым были установлены соответственно в 1974 и 1999 гг. Сохранились, в основном, изображения Афанасия Сяндемского среди олонецких святых, но существовали и единоличные иконы. В Описи коллекции Олонецкого епархиального древлехранилища в Петрозаводске 1918 г. упоминается образ преподобного XIX в. «на холсте (паволоке) в рост, правая рука на груди, в левой чётки и посох». Подобное его изображение в мантии и схиме имеется на литографии Петра Фёдоровича Бореля (1829–1898 гг.) 1855 г. На иконе олонецких чудотворцев второй половины XIX в. из церкви великомученицы Екатерины в Петрозаводске Афанасий Сяндемский изображён в рясе и схиме красного цвета, волосы длинными прядями спадают на плечи, борода окладистая. Образ преподобного представлен на иконах «Собор святых, в земле Карельской просиявших» 1876 г. из Валаамского монастыря (Музей православного искусства г. Куопио, Финляндия), конец XIX – начало XX вв. из иконостаса семинарского храма во имя апостола Иоанна Богослова и преподобных отцов – просветителей карельских в г. Куопио. На иконе конца XX в. из собора во имя князя Александра Невского в Петрозаводске святой представлен в зелёной мантии, с поднятыми в молении руками.