Арсения последовала Великим постом 1409 года. К так называемому «соборному воскресенью» (воскресенье после первой седмицы поста, неделя Православия; в этот день к епископу съезжались священники и составляли епархиальный собор) по обыкновению съехалось в Тверь духовенство. Во вторник святитель Арсений произнес поучение к пастырям, благословил их и распустил собор. Скончался святитель 2/15 марта.
Святитель Арсений был погребен в Желтиковом монастыре, в притворе правого придела во имя образа Нерукотворенного Спаса Успенской церкви, в той самой гробнице, которую изготовил своими руками. По свидетельству летописи, у гроба его совершалось много исцелений приходящих с верой.
В «Иконописном подлиннике» святитель Арсений описывается следующим образом: «Подобием стар, сед, брада аки Сергиева, в схиме, мантия с источники, омофор перекинут через плечи кольцеми наперед, правая рука благословенна, в левой Евангелие».
Мощи святителя Арсения были обретены нетленными в Желтиковом монастыре в 1483 г. С того же года в Твери было установлено празднование ему по благословению Тверского епископа Вассиана.
Служба святому составлена в XVI веке; канон и стихиры Феодосия, инока Желтикова монастыря, составлены в 1483 году.
На серебряной раке святителя Арсения были изображены семь его чудес: первое — воскрешение рыболова Терентия; второе — дарование сына Иоанну Карташу; третье — исцеление протоиерея Алексия, страдавшего ногами; четвертое — исцеление девицы Устинии Головенковой; пятое — спасение одного человека от удавления; шестое — с покровом святого (когда в 1606 г. поляки ворвались в Желтиков монастырь, один всадник сорвал покров над ракой святителя и положил на своего коня. Конь взвился на дыбы и упал вместе с всадником, обоих нашли мертвыми) седьмое — исцеление Григория и жены его, бывших душевнобольных. Канонизация святителя Арсения состоялась на Московском Соборе 1547 года.
Ко второй памяти святителя Арсения, в первое воскресенье после 29 июня, ныне приурочено празднование Собора Тверских святых.
Благочестно пожив во святительстве, люди просветил еси учением твоим, и о храме Пречистыя вельми подвизався и любитель монахов быв, сего ради от Христа паствы твоея венец приял еси. Темже яко апостольскаго престола наместника и святителя великаго чтуще тя, молим, чада твоя, блаженне: от всех бед избави нас яже ко Христу молитвами твоими, святителю Христов Арсение, отче наш.
Восприемши радостно честныя твоя мощи Пречистыя церковь, в нюже честно вносимы множеством священномонахов и князи благоверными, и яжи приемши, яко сокровище многоценное. Темже и мы ныне, твоея ограды словесныя овцы, окрест раки твоея предстояще, любезно вопием ти: не забуди чад твоих, отче, ихже мудре собрал и возлюбил еси, яко да зовем ти: радуйся, святителю Арсение, пастырю и учителю наш.
Призри от горних высот,
