В ночь с 9 на 10 августа 1936 г. Анатолий был арестован и 13 августа перевезён в следственную тюрьму в Киев. На допросах отверг предъявленные обвинения. 8 октября следствие было закончено, Анатолий был обвинён в том, что «связался с католическим ксендзом г. Николаева Зноско Христианом Леонтьевичем, с которым вёл переговоры об установлении антисоветского блока путём воссоединения восточной (православной) и западной (католической) церквей на началах унии, с подчинением православной церкви папе Римскому. В повседневной своей деятельности вёл антисоветскую агитацию и в форме контрреволюционных высказываний систематически внедрял антисоветские установки духовенству и церковникам, воспитывая их таким путём в контрреволюционном направлении». Анатолий написал протест начальнику восьмого отделения СПО НКВД Украины, который вёл следствие, прося передать его вместе с делом прокурору по спецделам и в Особое совещание при НКВД СССР. Состояние здоровья Анатолия в это время было очень тяжёлым: в тюрьме обострилась язва желудка, владыка почти не мог ходить. 16 декабря 1936 г. Главное управление государственной безопасности затребовало Анатолия в Москву, и через день он был доставлен в Бутырскую тюрьму. Следователи НКВД пытались добиться от него подтверждения домыслов о его встрече с высокопоставленным католическим деятелем с целью организации антисоветской работы, сбора информации антисоветского содержания, предназначенной для Ватикана, а также перехода в католичество. Анатолий категорически отверг все эти обвинения, сказав, что встреча состоялась лишь потому, что католик интересовался богословскими и церковно-историческими вопросами. 21 января 1937 г. ОСО при НКВД СССР приговорило Анатолия к пяти годам заключения в исправительно-трудовых лагерях. 27 января он был отправлен этапом в распоряжение Ухтпечлага НКВД. Только часть пути этапы проезжали по железной дороге, затем узники должны были идти пешком – по снегу, невзирая на суровую зиму. Больной митрополит с трудом передвигался, охрана подгоняла его прикладами. Когда он падал, ему разрешали сесть в кузов грузовика и везли до тех пор, пока он не приходил в себя, затем снова гнали пешком. 14 февраля 1937 г. этап прибыл в Кылтовскую сельхозколонию в Коми. Первое время Анатолий не работал, т.к. не хватало конвоя для сопровождения, в мае его стали выводить на общие работы. В июне Анатолий заболел крупозным воспалением лёгких. В октябре 1937 г. был признан инвалидом и освобождён от работы, но в ноябре его снова вывели на общие лагерные работы. Болезни, недоедание и каторжный труд привели к тому, что владыка почти ослеп и в ноябре-декабре не смог выполнить норму. В январе 1938 г. состояние его здоровья ухудшилось настолько, что он был помещён в кылтовскую лагерную больницу, где вскоре скончался. Перед смертью от Анатолия потребовали, чтобы он отдал Евангелие и нательный крест, которые были с ним в тюрьме и в концлагере, – священномученик отказался. Евангелие вырвали из его рук силой, но крест он не отдал и умер, защищая слабеющими руками грудь. Определением Синода УПЦ Анатолий причислен к лику местночтимых святых. На Архиерейском Соборе Русской православной церкви 2000 г. внесён в Собор новомучеников и исповедников Российских для общецерковного почитания.