Il porte à son actif l'arrestation de 6 membres de l'organisation en 1980 ; la même année, un de ses proches, le capitaine des Carabiniers Emanuele Basile, est assassiné par la Mafia. A la suite de cet évènement, il se voit assigner une protection policière.
Travaillant avec les juges Giovanni Falcone et Rocco Chinnici, Borsellino continue son enquête sur la Mafia et ses liens avec le pouvoir politique et économique sicilien et italien. En 1983, Rocco Chinnici est tué par une bombe placée dans sa voiture et remplacé par Antonino Caponnetto. En 1986, Borsellino devient procureur en chef de Marsala, principale ville de la province de Trapani, où il poursuit son travail anti-Mafia. Ses liens avec Giovanni Falcone, resté à Palerme, lui permettent d'enquêter dans toute la Sicile occidentale. En 1987, après la démission de Caponnetto pour raisons de santé, Borsellino participe au mouvement de protestation après l'échec de la nomination de son ami Giovanni Falcone à la tête du réseau anti-Mafia.
Le 19 juillet 1992, après cinq ans de lutte contre la Mafia, le juge Borsellino est tué dans l'explosion d'une voiture piégée Via D'Amelio, à Palerme, moins de deux mois après la mort de son ami et collègue Falcone. L'explosion tue également cinq policiers, Agostino Catalano, Walter Cosina, Emanuela Loi, Vincenzo Li Muli et Claudio Traina.
Salvatore "Toto" Riina, le chef de la famille mafieuse des Corleone, purge aujourd'hui une peine de prison à perpétuité pour avoir ordonné les assassinats des juges Borsellino et Falcone, ainsi que pour de multiples autres meurtres.
Paolo Borsellino est aujourd'hui considéré comme l'un des juges les plus importants assassinés par la Mafia sicilienne durant les années 1980 et 1990. Il demeure l'un des symboles de la lutte de l'Etat italien contre le crime organisé. De nombreuses écoles et bâtiments publics portent son nom, parmi lesquels l'aéroport international de Palerme, aujourd'hui connu sous le nom d'Aéroport Falcone-Borsellino. On peut y voir un monument à sa mémoire par le sculpteur sicilien Tommaso Geraci.