18 декабря 1935 года епископ Онисим был арестован и заключен в Бутырскую тюрьму в Москве. Вместе с ним было арестовано духовенство, служившее как в самой Туле, так и в селах, а также монахи и миряне. Свидетели по его делу, большей частью из самого арестованного духовенства, показали, что епископ говорил о тяжелой жизни верующих в заключении и ссылке и призывал оказывать деятельную помощь заключенному в концлагеря духовенству.
«Архиерейские службы, — показал один из священников, — по указанию епископа Онисима совершались в строго монастырском духе, устраивались торжественные соборные службы, на которые привлекалось духовенство из других храмов, даже из других епархий. Каждая служба сопровождалась проповедями, причем проповеди говорились по указанию архиерея. Я лично сам неоднократно говорил епископу Онисиму, что надо прекратить проповеди, но он настаивал, чтобы говорить их. Сам лично он также говорил проповеди. Так, например, в апреле 1935 года Пылаев за вечерним богослужением в церкви Ильи Пророка говорил: “Евреи, как дикие звери, набросились на Христа и кричали “распни, распни Его”, евреи своими дикими криками требовали от Пилата, чтобы он предал Христа смерти. Христос, окровавленный, стоял перед толпой. Кого же вы выберете — Христа или Варавву, куда вы пойдете?” Кроме того, епископ Онисим ежедневно за каждой архиерейской службой поминает по старой монархической форме: “на брани убиенных воинов, за веру и отечество живот свой положивших”».
Священники показали, что епископ служил в домах верующих молебны, а также совершил в храме постриг в монашество.
Епископа Онисима стали допрашивать сразу же после ареста, и допросы длились в течение двух месяцев.
1 апреля 1936 года следствие было закончено. Епископ Онисим был обвинен в том, что, «пользуясь положением правящего епископа, группировал вокруг себя контрреволюционное духовенство и церковников, совместно с которыми занимался контрреволюционной деятельностью — подготавливал переход Церкви на нелегальное положение, распространял ложные контрреволюционные слухи о якобы проводимых советской властью гонениях на религию и верующих, обрабатывал молодежь в антисоветском духе, организовывал материальную помощь ссыльному духовенству, находящемуся в ИТЛ за контрреволюционную деятельность…».
16 апреля 1936 года Особое Совещание при НКВД СССР приговорило епископа Онисима к пяти годам ссылки в Северный край. Он был сослан в город Каргополь Архангельской области и поселился на его окраине в небольшом деревянном доме, в котором им была устроена домашняя церковь. Хозяева дома были глубоко верующие люди, с начала гонений принимавшие у себя ссыльное духовенство, и бывало, что здесь сразу жило по нескольку священников, которым хозяева всегда отводили отдельную комнату. Давая приют ссыльному духовенству, принимая исповедников Христовых и праведников, они, не будучи ссыльными сами, получали награду исповедников Христовых.