Потом участвовал в Гражданской войне. В начале 1920-х годов с экспедицией Николая Урванцева на Дальний Север, открывал большие залежи руды на реке Норилке (ныне на на этом месте город Норильск). Павел Сергеевич один из создателей и руководителей Главного автобронетанкового управления РККА, заместитель начальника управления по политической части. Скончался 2 ноября 1938 года в Москве.
Из воспоминания его племянника Владимира Аллилуева:
«Последние годы жизни он пребывал на посту главного комиссара бронетанковых войск. Был он человеком искренним, с открытой, но строгой душой, если чувствовал несправедливость, всегда вступался. Но и принципами не поступался. Может быть, поэтому авторитет Павла был очень высоким. В свою последнюю осень 1938 года он отдыхал в Сочи… Павел вернулся в Москву 1 ноября 1938 года, а вечером 2 ноября в кабинете моего отца в нашей алма-атинской квартире зазвонил телефон. Трубку сняла моя мама, Анна Сергеевна. Она что-то ответила и вдруг страшно закричала. Из Москвы сообщили о скоропостижной смерти ее старшего брата Павла Сергеевича Аллилуева. Ему было только 44 года… Мама сразу выехала в Москву, но путь неблизкий, и она не успела на похороны. Эта внезапная смерть потрясла всю нашу семью… В те скорбные дни наша семья и не подозревала, какой страшный удар скоро вновь обрушится на нее. И быть может, смерть Павла многое в нем предрешила…»
(Владимир Аллилуев «Сталин Аллилуевы. Хроника одной семьи»)