С 15 ноября 1945 года (по совместительству) становится начальником отдела «К» НКГБ СССР, образованного для оперативного обслуживания атомных спецобъектов.
После образования 15 марта 1946 года МГБ СССР совмещал должности руководителя 4-го Управления (до его упразднения 15 октября 1946 года) и отдела «С» (4 мая 1946 — 30 мая 1947 года).
15 февраля 1947 года возглавил отдел «ДР» (известен как Спецслужба или «Бюро Судоплатова»), сформированный для развертывания в случае войны разведывательно-диверсионной работы против военно-стратегических баз США и НАТО, расположенных вокруг СССР.
9 сентября 1950 года был утвержден Политбюро ЦК ВКП(б) начальником Бюро № 1 МГБ СССР по диверсионной работе за границей, созданного на базе Спецслужбы МГБ СССР. 6 января 1951 года назначен начальником Бюро на правах начальника Управления.
С 21 марта 1953 года Судоплатов — заместитель начальника ПГУ (контрразведка) МВД СССР. С 30 мая 1953 года — начальник созданного 9-го (разведывательно-диверсионного) отдела МВД СССР После его реорганизации, 31 июля 1953 года переведен в ВГУ МВД СССР на должность начальника отдела главка внешней разведки.
20 августа 1953 года уволен «за невозможностью дальнейшего использования», а 21 августа 1953 года арестован. Обвинен в участии в «заговоре Берии». До 1958 находился под следствием. Виновным себя не признал. 12 сентября 1958 осужден на закрытом заседании военной коллегии Верховного суда СССР по ст. 17-58 п. 1 «б» УК РСФСР с применением ст. 51 УК РСФСР к 15 годам тюремного заключения. Содержался в местах лишения свободы (Владимирская тюрьма).
21 августа 1968 года П. А. Судоплатов вышел на свободу. Более 20 лет вел борьбу за свою реабилитацию. Только 10 февраля 1992 года «в связи с открывшимися новыми обстоятельствами, а также неподтверждением и отказом свидетелей от данных против П. А. Судоплатова показаний в судебном заседании» в соответствии с п. «а» ст. 3 Закона РФ «О реабилитации жертв политических репрессий» от 18 октября 1991 года он был реабилитирован Главной военной Прокуратурой РФ.
Опубликовал в соавторстве с сыном А. П. Судоплатовым книги воспоминаний на английском, немецком, французском, испанском, шведском и русском языках; «Особые задания» (издана в США), «Разведка и Кремль» (издана в России в 1996). Умер 24 сентября 1996 года.
1 октября 1998 года Указом Президента РФ семье П. А. Судоплатова возвращены изъятые при аресте государственные награды. Павел Анатольевич был награжден орденом Ленина, тремя орденами Красного Знамени, орденом Суворова 2-й степени, двумя орденами Красной Звезды, орденом Отечественной войны 1-й степени, медалями «Партизану Отечественной войны» 1-й степени, «За оборону Москвы», «За оборону Кавказа», «За победу над Германией», «За победу над Японией», «XXX лет Советской Армии и ВМФ», «800 лет Москвы», а также знаком Заслуженного работника НКВД.
