На архиерейской кафедре святитель Питирим не только не ослабил подвижнические труды, но еще более усилил монашеские подвиги. Среди благочестивых душевных занятий он не оставлял и физический труд. Около архиерейского дома святитель своими руками выкопал колодец, над которым позднее была построена часовня, а с 1868 года к нему стал совершаться крестный ход для освящения воды. Однажды во время тяжелой болезни святителя Питирима Господь утешил его дивным видением. Во время молитвы святитель просил не здравия и продления жизни, но с любовью и надеждой испрашивал оставления грехов и дарования вечной жизни в Царстве Небесном. Он обратился с просьбой ходатайствовать о нем к своему покровителю, которому молился всю жизнь, — святому Прокопию Декаполиту. Во время этой молитвы ему явился преподобный Прокопий и стал молить о нем Господа. По молитве преподобного в облаке явился Спаситель и благословил святителя Питирима. После кончины святителя это явление было запечатлено на иконе, помещенной над его гробницей.
После болезни, во время которой святителю явился Господь и преподобный Прокопий, святитель Питирим прожил еще около трех лет. Но силы не вернулись к нему полностью и он постоянно недомогал, поэтому он не смог закончить многие из своих начинаний, в частности, достроить кафедральный собор. Кончина святого последовала 28 июля 1698 года в возрасте 53 лет. Он был с честью погребен в освященном им Никольском приделе нового кафедрального собора, над могилой его была устроена деревянная резная гробница.
После блаженной кончины святителя Питирима его духовная связь с паствой не прервалась. Сначала память святителя совершалась в Тамбовской епархии местно. От его гробницы совершались исцеления больных. В начале XIX века в тамбовском кафедральном соборе была заведена книга, в которой отмечались чудесные исцеления от гробницы святителя. Эти записи свидетельствуют, что к святителю Питириму с просьбой обращались не только православные, но и иноверцы. Божественные откровения побуждали людей со всех концов России ехать в Тамбов за благодатной помощью, истекавшей от гробницы еще не прославленного святого. В 1914 году, 28 июля, святитель Питирим был причислен к лику святых Русской Церкви.
Веры и благочестия наставниче, Церкве светильниче, монашествующих образе, святителю Питириме премудре, стадо твое благочестно упасл еси и ко Христу привел еси, темже в вышних венцем славы украшен, с нами на земли духом пребываеши, сияя чудесы. Моли Христа Бога спастися душам нашим.
Монахов наставника изрядна и святителя всем людем милостива, чудотворца предивна и молитвенника о нас неусыпна, сошедшеся, воспоим Питирима, Тамбовския земли похвалу.
Благословен и препрославлен Господь Бог, призвавый тя, святителю отче наш Питириме, от перваго часа делателя в виноград Свой, явивый в тебе послушание воли Его неуклонное, ревность Предтечеву и любовь Павлову, таже и на свещник Церкве Тамбовския тя поставивый и архиереа велика тя показавый. Благодатию святительства укрепляем и огнем любве Христовы распаляем, не дал еси, пастырю наш добрый, сна очима твоима, ниже веждома дремания, на всяк день труждаяся, моляся и благовествуя, неверныя просвещая, заблудшия вразумляя, падшия восставляя, немощныя укрепляя, плачущия утешая, всем быв вся, яко же святый Павел, да всяко некия спасеши. Егда же время делания твоего в вертограде волю Владыки Христа исполнися и отшел еси от земныя в селения горняя прияти мзду трудов твоих, дадеся ти, угодниче Божий, Престолу Царя славы с лики святых предстояти и оттуду паству твою назирати, за ны грешныя молитися, немощи немощных носити, недуги целити, скорби утоляти. Сего ради от дне блаженного успения твоего вернии не престаша притекати к тебе в скорбех и болезнех, и онии прикосновением ризы твоя, онии от воды из кладезя твоего избавление улучаху. Темже и ныне, к цельбоносному гробу твоему сошедшеся, славим Бога, дивнаго во святых Своих, и тебе, отче священнейший, величаем и молим: не отступай от нас любовию твоею, сохраняй молитвами твоими Церковь Православную незыблему от неверия и раскола, страну же Российскую от бед и напастей защити, мир и безмятежие той даруя, от всяких врагов огради, пастырем Церкве Святыя благопоспеши, дела рук их исправи и ревностию о спасении врученного им словесного стада сердца их распали, вся же ны в послушании спасительному благовестию Христову соблюди и дело спасения, яко едино на потребу вменяти помози, да купно с тобою едиными усты и единым сердцем вся на всяк день и час поем и славим Спаса Христа со Отцем и Святым Духом во веки веков. Аминь.