В августе 1939 г. отправился в паломническую поездку на Афон. Пребывание Кассиана на Афоне продлилось с перерывами с начала сентября 1939 г. по январь 1946 г. Мысли об удалении на Афон и о пустынножительстве посещали Кассиана ещё задолго до этой поездки. 30 мая 1940 г. после переписки с митрополитом Евлогием получил от него разрешение стать членом братии Русского монастыря великомученика Пантелеимона на Афоне. Будучи архимандритом, никак не выделялся из братии, проходил послушание как чередной иеромонах, проводил подвижническую жизнь, под руководством духовника Виссариона (Хлыстова) творил Иисусову молитву. На Афоне имел дружеское общение с тремя иноками, бывшими студентами Свято-Сергиевского института: монахом Василием (Кривошеиным; впоследствии архиепископ), иеродиаконом Софронием (Сахаровым; впоследствии архимандрит), иеродиаконом Иувеналием (Егоровым). Кассиан неоднократно выезжал в материковую Грецию из-за трудностей продления греческой и афонской визы, срок которой истёк в марте 1940 г. В связи с этим Кассиан некоторое время не мог вернуться на Афон и жил в монастыре Пендели близ Афин, занимался оформлением документов. От предстоятеля Элладской церкви архиепископа Хрисанфа и других греческих иерархов получал предложения перейти в их юрисдикцию и стать игуменом в каком-либо монастыре, но посчитал, что не может оставить русский монастырь в тяжёлых условиях изоляции от России. После выхода Франции из войны из-за поражения летом 1940 г. Кассиан решил осенью вернуться к преподаванию в институте. С началом боевых действий Германии против СССР намеревался поехать в Россию на миссионерское служение, а в апреле 1942 г. неоднократно ходатайствовал о возможности начать пастырскую деятельность среди советских военнопленных, но эти планы не удалось воплотить, т.к. немецкая администрация не давала ему разрешения на выезд с Балкан. Его стремление уехать с Афона также усугублялось ухудшением здоровья. Понадеявшись, что будет легче выехать во Францию через Болгарию и Сербию, Кассиан оказался летом 1943 г. в пригороде Белграда Панчево, где находилась семья его сестры Ольги, у которой он провёл пять месяцев, служа и проповедуя в монастыре Войловица. Из переписки немецких чиновников исследователям становится ясно, что начальник германской службы безопасности в Сербии внимательно следил за перемещениями Кассиана. После избрания в сентябре 1943 г. Патриархом Московским и всея Руси митрополита Сергия (Страгородского) германский МИД предпринял усилия, чтобы добиться официального непризнания этих выборов Элладской церковью. Рассчитывая на негативное отношение Кассиана к Московской патриархии, немецкие власти предполагали, что он поможет в агитации за осуждение избрания патриарха Сергия среди монахов на Афоне, поэтому препятствовали его выезду. Однако Кассиан, судя по письмам этого периода, не собирался исполнять желание оккупационных властей, т.к. не имел влиятельного положения в Свято-Пантелеимоновом монастыре и тревожился о дальнейшем пребывании семьи сестры в Сербии и о её безопасности. Кассиан ходатайствовал о перемещении родственников в Грецию, ближе к Афону. Переезд осуществился в марте 1944 г., а в августе греческие коммунисты зверски убили в местечке Пиргос (ныне Урануполи) сестру Кассиана Ольгу, её мужа Григория Чеботарёва, 11-летнего сына Алексея, а также приютивших их хозяев.