В это время Павлину донесли, что П. и М. приняли христианство. Павлин приказал взять воинов под стражу. На следующий день он начал уговаривать их отречься от Христа и вернуться к почитанию исконных рим. богов, но святые оставались непреклонны, несмотря на обещания всяких благ, а затем угрозы. Тогда начальник приказал бить их камнями по устам, однако они только восклицали: «Слава в вышних Богу!» Затем перед ними были поставлены треножник и золотое изваяние Юпитера, однако П. и М. не только не стали поклоняться ему, но и со смехом оплевали идола. Тогда Павлин приказал растянуть их на дыбе, бить и жечь огнем. Мученики мужественно перенесли эти страдания, во время к-рых их ободряла благородная рим. матрона по имени Люцина. Затем воины стали сечь их бичами (т. н. скорпионами) со словами: «Не смейте презирать веления императора!» В это время Павлин ослеп на левый глаз; думая, что П. и М. навели на него порчу, он повелел вернуть их обратно в темницу, где им также служила Люцина.
Через 3 дня Павлин, мучимый злым духом, скончался. Его сын, Помпиан, сообщил об этом префекту Рима, а тот подал донесение Нерону, к-рый приказал немедленно казнить П. и М. по обвинению в колдовстве. Мученики были усечены мечом на Аврелиевой дороге, за стенами Рима, а их тела с почестями прогребены Люциной.
Мученичество П. и М. в окончательном виде, вероятно, составлено не ранее нач. VI в., и его историческая ценность сомнительна. При составлении Мученичества анонимный автор, очевидно, опирался на апокрифическое «Мученичество Петра» (IV-V вв.), приписываемое св. Лину (Martyrium beati Petri apostoli a Lino episcopo conscriptum; BHL, N 6655), в нем рассказывается, что впервые стражи темницы, в к-рую был заключен ап. Петр, названы П. и М. Вероятно, этот текст послужил для составителя Мученичества П. и М. также источником для эпизода явления ап. Петру идущего в Рим Спасителя. Благочестивая матрона Люцина, упомянутая в Мученичестве, также фигурирует в сказаниях о святых, живших спустя неск. веков после апостольской эпохи (напр., о мч. Севастиане († 288), о св. Корнелии, папе Римском († 253)), что также указывает на легендарный характер сказания о П. и М. (Lapidge. 2017. P. 388. N 21). Возможно, на эпизод «с изведением» источника из Тарпейской скалы оказала влияние рим. традиция изображения ап. Петра в образе прор. Моисея, «изводящего» воду из камня (Franchi de' Cavalieri P. Come i SS. Processo e Martiniano divennero i carcerieri dei Principi degli Apostoli? // Note agiografiche. R., 1909. Vol. 22. P. 37-38). О позднем времени составления Мученичества свидетельствует и вложенное автором в уста апостолов слово «Троица» (Trinitas), не употреблявшееся в первохрист. эпоху. Титулования Павлина и его подчиненных также не соответствуют I в. по Р. Х. В Мученичестве говорится о том, что начальник тюрьмы был магистром оффиций, но такой должности не существовало во времена Нерона (Lapidge. 2017. P. 383. N 7). П. и М. в Мученичестве названы «magistriani melloprincipes». Не встречающееся в классических источниках именование «melloprincipes», вероятно, означает «чиновники, которые должны в будущем стать принцепсами», т. е. помощниками магистра оффиций; термин «magistriani» в свою очередь обычно обозначал подчиненных магистра оффиций и иногда конкретно сотрудников имп. тайных служб (шпионов); однако не исключено, что составитель Мученичества в действительности не разбирался в наименованиях чиновных должностей (Ibid. P. 385. N 14-15). Сомнителен и сам рассказ о заключении апостолов в Мамертинскую тюрьму, поскольку она предназначалась для крупных гос. преступников и военнопленных, к числу которых святые не принадлежали.
Вместе с тем, несомненно, что почитание П. и М. имеет давнюю традицию. Согласно полемическому трактату «Предестинат» (V в.), во времена узурпатора Магна Максима (383-388) еретик-монтанист захватил святилище мучеников и утверждал, что они также были «фригийцами», т. е. последователями монтанизма, надеясь тем самым придать авторитетность своему учению (PL. 53. Col. 616). Это свидетельствует о большой значимости культа П. и М. для рим. христиан 2-й пол. IV в.
Изначальным местом погребения мучеников в разных источниках названы катакомбы св. Агаты (cemeterium Agathae) и св. Дамаса (cemeterium Damasi) у 2-го путевого столба на Аппиевой дороге. По всей вероятности, захоронение П. и М. в катакомбах св. Агаты было обновлено и украшено при св. папе Римском Дамасе I (366-384), к-рый провел большую работу по благоустроению рим. катакомб. Свт. Григорий I Великий (590-604) совершал в храме на гробнице святых богослужение в день памяти мучеников и произнес в нем одну из своих проповедей на Евангелия (см.: PL. 76. Col. 1232-1238). При папе Григории III (731-741), согласно Liber Pontificalis, была перестроена кровля храма (PL. 89. Col. 569). Затем папой Пасхалием I (817-824) мощи П. и М. были торжественно перенесены в собор св. Петра, где они почивают и по сей день.
В Иеронимовом Мартирологе память П. и М. указывается несколько раз. Основным днем их памяти было 2 июля (MartHieron. P. 347). Под 1 июля указывается память неких Прокесса и Марины на Аврелиевой дороге; очевидно, имя Марина представляет собой искаженное Мартиниан, а празднование было смещено на 1 июля в результате ошибки. Также память св. Прокесса указывается под 27 янв. (MartHieron. P. 64); под тем же днем указаны памяти Аврелия и Миссуриана. Не исключено, что имя Миссуриан представляет собой искаженное Мартиниан, а имя Аврелий произошло от названия места - Аврелиева дорога. В то же время это предположение не может считаться достоверным (MartHieron. Comment. P. 65). Также день памяти П. и М. указывается в Иеронимовом Мартирологе под 31 мая (MartHieron. P. 283); вероятно, это празднование могло быть связано с обновлением храма во имя П. и М.
В Мартирологе Узуарда (IX в.) (MartUsuard. 1965. Р. 260) и Мартирологе Адона, архиеп. Вьеннского (MartAdon. 1984. P. 212), память П. и М. указывается под 2 июля. Римский Мартиролог кард. Цезаря Барония (80-е гг. XVI в.) также указывает память П. и М. тем же днем (MartRom. P. 266). Совр. редакция Римского Мартиролога в этом отношении следует более ранним изданиям (MartRom. (Vat). P. 346).
В греч. традиции литургическое почитание П. и М. не сложилось. Однако, как указывает архиеп. Сергий (Спасский), в слав. Прологе кратко сообщается со ссылкой на свт. Григория Великого о страданиях мучеников и о пребывании их мощей в Риме (Сергий (Спасский). Месяцеслов. Т. 3. С. 137). Свт. Димитрий (Савич (Туптало)) Ростовский включил краткое сказание о П. и М. в свою «Книгу Житий святых» под 11 апр. Под той же датой память П. и М. указана и в совр. Месяцеслове РПЦ.