Quan liền cho lệnh bắt anh đạp Thánh Giá nhưng anh cương quyết không chịu. Sau đó, quan trao anh cho bọn lính đánh đập dữ tợn, kìm kẹp xé thịt, cháy da, Anh vẫn một mực không bỏ đạo, không bước lên ảnh tượng Chúa. Thấy anh can đảm và cương quyết như thế, quan truyền đưa về giam trong ngục. Quan hy vọng giam giữ ít ngày anh sẽ thay lòng đổi dạ. Ít tuần sau, quan lại gọi anh ra toà. Quan thấy những vết thương còn đẫm máu thì thương. Nhưng một lần nữa quan lại truyền tra khảo bằng cách nung kìm đỏ kẹp da thịt. Mùi da thịt khét bốc lên, máu rỉ ra như nước chảy. Người anh hùng Đức Tin Phaolô Hạnh vẫn một lòng trung thành với Chúa, cương quyết chịu mọi hình khổ để làm chứng cho đạo. Biết rằng rất đau đớn nhưng vẫn cắn răng chịu mọi hình khổ quái ác, vô cùng tàn nhẫn để đền bù tội lỗi của tuổi thanh xuân.và để tạ tội với Chúa. Khi bị đau đớn quá anh đã than thở với Chúa: “Lạy Chúa xin tha tội cho con. Con đã bỏ đạo, không sống lề luật Chúa lại còn lập bè đảng, lôi cuốn bảo thanh thiếu niên đi vào đàng tội lỗi, đi ăn trộm ăn cướp, làm hư hỏng bao tâm hồn trẻ trung ngây thơ. Con thật đáng tội với Chúa. Nay con xin chịu mọi đau đớn phần xác này để đền tội con và đền tội cho bọn đàn em du đãng của con. Xin Chúa thương tha tội và ban cho con có nhiều cơ hội được chịu đau đớn vì Chúa. Giờ đây con quyết chí xưng đạo Chúa ra trước mặt vua quan, dù có phải chết vì đạo Chúa, con cũng vui lòng được chết vì đạo Chúa”.
Sau nhiều lần tra tấn hành hạ, ép buộc Phaolô Hạnh phải bước qua Thập Giá để bỏ đạo nhưng dù bị kìm kẹp đau đớn, đánh đập tàn nhẫn nhưng cương quyết một lòng Phaolô Hạnh nhất định không bỏ đạo và sẵn lòng chấp nhận mọi hình khổ để làm chứng đạo thánh Chúa.
Thấy không còn cách nào để ép buộc Phaolô Hạnh bỏ đạo. nhất là khi thấy những hình khổ nhục nhã đau đớn như thế mà Phaolô Hạnh vẫn cương quyết không bỏ đạo thì quan làm án buộc Phaolô Hạnh về tội theo đạo Gia-Tô nên phải chém đầu. Vua Tự Đức châu phê bản án và ngày 28 tháng 5 năm 1859 vị anh hùng Đức Tin trẻ trung 32 tuổi Phaolô Hạnh đã hiên ngang tiến ra pháp trường lãnh nhận triều thiên tử đạo. Những người chứng kiến cái chết anh dũng của Phaolô Hạnh đều ngỡ ngàng nói với nhau rằng: “Chàng thanh niên này chọc trời, quấy nước thế mà bây giờ lại chấp nhận đánh đập, bị kìm sắt nung đỏ kẹp thịt cháy xèo xèo như bị nướng thế mà cũng không chịu bỏ đạo. Bây giờ lại vui vẻ tiến ra pháp trường chịu chém đầu. Thật là lạ lùng, có những con người can đảm xưng đạo một cách oai hùng như thế đáng chúng ta cảm phục! Ngày trước chàng thanh niên Hạnh này cũng là tên đầu trộm đuôi cướp thế mà bây giờ dám can đảm đổi sự sống mình vì đạo. Anh Phalô Hạnh thật là vị anh hùng Đức Tin, xứng đáng để chúng ta noi gương mà sống tốt lành, thờ phượng Chúa.”.
Ngày 2 tháng 5 năm 1909 Đức Giáo Hoàng Pio X đã tôn phong Ngài lên bậc Chân Phước và ngày 19 tháng 6 năm 1988 Đức Giáo Hoàng Gioan Phaolô II đã nâng Ngài lên hàng Hiển Thánh Tử Đạo Việt Nam.
