Будущий священномученик Онисим появился на свет 5 сентября 1872 года в деревне Марково, что в Белозерском уезде Новгородской губернии, в семье псаломщика; в крещении его назвали Михаилом. Окончив в 1896 году Новгородскую духовную семинарию, он служил псаломщиком в крепостной церкви города Карса, а в 1904 году был рукоположён во священника и назначен в 4-й стрелковый полк.

Тогда же началась война с Японией. Отец Михаил относился к ней отрицательно: считал, что смысл и задачи этой войны народу непонятны, а значит, и последствия могут выйти тяжёлыми. Взглядов своих он не скрывал, и начальство отозвало его с фронта, переведя в 37-й Екатеринбургский полк. Зато войну 1914 года он прошёл вместе со своей паствой — солдатами — от начала до конца и был возведён в сан протоиерея.

В январе 1918 года священник приехал в Нижний Новгород. Шла гражданская война, его мобилизовали в Красную армию, где он был письмоводителем, потом казначеем дивизии, а после её роспуска работал управделами в военной губернской коллегии. В 1920 году он вернулся к служению: приходской совет Свято-Троицкой Верхне-Посадской церкви позвал его на освободившееся место, и архиепископ Евдоким назначил его туда. Когда в 1922 году начался обновленческий раскол и Нижний Новгород оказался одним из его центров, отец Михаил стал деятельным противником раскола.

В декабре 1924 года несколько нижегородских священников решили собираться и вместе разбирать апологетическую литературу: безбожники устраивали диспуты, а духовенству нечего было им ответить. Собирались за чаем, читали доклады. В феврале 1925 года всех участников арестовали, через месяц выпустили под подписку о невыезде — и 28 марта протоиерей Михаил принял постриг с именем Онисим и был хиротонисан во епископа; хиротонию возглавил митрополит Сергий (Страгородский). Ещё через год последовал приговор: три года без права жить в Москве, Ленинграде, Киеве, Харькове, Одессе, Ростове-на-Дону и в соответствующих губерниях. Местом жительства владыка выбрал Воткинск и вскоре был назначен епископом Воткинским.

В 1928 году его арестовали снова — поводом послужили заграничные церковные журналы, найденные у его секретаря. Епископ писал прокурору, что журналы прошли таможню и, значит, разрешены к чтению в стране, но это не помогло: он получил три года Соловецкого лагеря. В лагере на него возложили обязанность зажигать маяк — в любую погоду плыть туда в утлой лодке и возвращаться промёрзшим. Перед концом срока прибавили три года ссылки в Северный край; в Архангельске владыка зарабатывал на жизнь работой в фотографии. В 1933 году его освободили досрочно, и митрополит Сергий назначил его на Тульскую кафедру.

В Туле епископ Онисим управлял епархией из собственной квартиры — она была ему и жилищем, и епархиальным управлением. Главной его заботой было не дать закрыть храмы: узнав, что приход остался без священника, он немедленно посылал туда другого; если у священника отбирали регистрацию, находил нового; если в храм ссыпали зерно, благословлял служить на паперти, а оставшимся без приходов — в домах прихожан. Всех возвращавшихся из лагерей и ссылок он старался устроить, а кого не мог — направлял с рекомендательным письмом к соседним архиереям. Служил владыка часто и за каждой службой проповедовал, уговаривая и духовенство не оставлять проповеди: без неё, считал он, народ погружается во тьму невежества.

18 декабря 1935 года его арестовали и заключили в Бутырскую тюрьму, а в апреле 1936-го приговорили к пяти годам ссылки в Северный край. Он поселился в Каргополе, в доме верующих людей, которые с начала гонений принимали у себя ссыльное духовенство, и устроил там домашнюю церковь. Через все свои заключения епископ пронёс оловянную ложку с выцарапанной надписью «Епископ Онисим» и всегда брал её с собой, ожидая нового следствия. В Рождественский сочельник 6 января 1938 года последовал последний арест — ложку он с собой уже не взял. Вины он не признал. 13 января тройка НКВД вынесла смертный приговор; епископ Онисим (Пылаев) принял смерть 27 февраля 1938 года в Архангельске, а погребён был в безвестной общей могиле.

Святителей на иконах принято писать в архиерейском облачении, с Евангелием в руке; новомучеников-архиереев нередко изображают с крестом. Память священномученика Онисима совершается 7 и 27 февраля, 11 июля, 23 августа, 13 сентября, 5 октября и 1 ноября.