Священномученик Онисим родился 5 сентября 1872 года в деревне Марково Белозерского уезда Новгородской губернии в семье псаломщика Владимира Пылаева и в крещении был наречен Михаилом.
В 1896 году Михаил окончил Новгородскую Духовную семинарию. В 1904 году был рукоположен во священника и назначен служить в 4-й стрелковый полк. Когда началась война 1914 года, он вместе с 37-м Екатеринбургским полком отправился на фронт и прошел со своей паствой — солдатами — всю войну. Был возведен в сан протоиерея.
В январе 1918 года отец Михаил приехал в Нижний Новгород. После начала гражданской войны его мобилизовали в Красную армию, где он был сначала письмоводителем 1-й бригады, а затем казначеем Нижегородской дивизии.
В 1920 году протоиерей Михаил подал прошение Нижегородскому архиепископу Евдокиму (Мещерскому) с просьбой занять вакантное место священника Свято-Троицкой Верхне-Посадской церкви, поскольку они живет в районе этого прихода, и ему часто доводиться служить в этой церкви. Прошение было удовлетворено.
Во время возникновения в 1922 году обновленчества, одним из центров раскола стал Нижний Новгород, в котором архиепископ Евдоким возглавил обновленчество. Протоиерей Михаил стал активным противником раскола, чем вызвал ненависть у обновленцев.
В декабре 1924 года священники Нижнего Новгорода, ощутив необходимость в апологетической литературе, чтобы иметь возможность давать достойные ответы во время различных диспутов, которые устраивали атеисты, решили собраться и обсудить, что возможно сделать. 10 декабря они собрались в квартире у протоиерея Михаила Пылаева. Обсудив положение, решили, что необходимо заняться изучением тех апологетических вопросов, по которым у них есть необходимая литература, а затем каждый должен будет составить конспект на определенную тему и зачитать его собравшимся священникам.
Пастыри стали обсуждать эти вопросы и с другими людьми, и дело довольно быстро дошло до секретного осведомителя ОГПУ, который 22 декабря сообщил в ОГПУ, что в Нижнем Новгороде «организован кружок духовенства, имеющий своей целью изучение апологетической литературы на предмет опровержения состоятельности марксизма как учения и борьбы с атеизмом»; с этого времени за участниками кружка было установлено наблюдение.
После нескольких лекций все участники встреч были арестованы сотрудниками ОГПУ и заключены в нижегородскую тюрьму.
27 марта 1925 года все находящиеся под стражей и, в частности, протоиерей Михаил были освобождены из тюрьмы под подписку о невыезде из Нижнего Новгорода.
28 марта 1925 года протоиерей Михаил после пострижения в монашество с именем Онисим был хиротонисан во епископа. Хиротонию возглавил митрополит Нижегородский Сергий.
В марте 1926 года следствие было закончено и составлено обвинительное заключение, в котором было написано, что «священник Пылаев… виновен в том, что, являясь руководителем тихоновщины в 1922 году и поэтому пользуясь популярностью среди тихоновщины за свою стойкость и верность этому течению… организовал нелегальный кружок духовенства. На его квартире было устроено первое собрание кружка…».
26 марта Особое Совещание при Коллегии ОГПУ приговорило владыку к лишению «права проживания в Москве, Ленинграде, Киеве, Харькове, Одессе, Ростове-на-Дону, означенных губерниях и Нижегородской губернии сроком на три года».
Епископ Онисим избрал местом жительства Воткинск, расположенный относительно недалеко от Нижнего Новгорода, и 26 апреля 1926 года был назначен митрополитом Сергием (Страгородским) епископом Воткинским.
В 1927 году Сарапульское ОГПУ произвело массовые обыски у духовенства в Воткинске в поисках послания, которое распространялось от имени архиепископа Сарапульского Алексия (Кузнецова).
30 декабря 1927 года в доме священника Александра Бирюкова, секретаря епископа Онисима, был произведен обыск, во время которого было найдено 16 номеров журнала «Вера и жизнь», издававшегося в Латвии.Журналы были посланы по почте неким священником из Латвии в Москву и, в конце концов, попали к отцу Александру на прочтение. 27 января 1928 года отец Александр был вызван в Сарапул в ОГПУ и арестован. 4 февраля власти арестовали епископа Онисима и он был заключен в тюрьму в городе Сарапуле и обвинен в «распространении нелегальной литературы контрреволюционного характера».
22 июня 1928 года Особое Совещание при Коллегии ОГПУ приговорило епископа Онисима к трем годам заключения в Соловецком концлагере. Владыка прибыл туда в то время, когда там находилось более полутора десятка православных архиереев, множество священников и мирян. На епископа лагерным начальством была возложена обязанность зажигать маяк, что было непросто: надо было в утлой лодчонке в любую погоду плыть к маяку, часто по непогоде ложась на дно лодки, и, приплывая туда продрогшим и замерзшим и не имея, где отогреться, зажигать огонь на маяке и возвращаться.
Перед окончанием срока заключения в лагере — 3 января 1931 года Особое Совещание при Коллегии ОГПУ приговорило епископа к трем годам ссылки в Северный край, и из Соловков он сразу же был направлен в Архангельск, где и поселился в качестве ссыльного, зарабатывая на жизнь работой в госфотографии.
За девять месяцев до окончания срока ссылки, 7 мая 1933 года, епископ Онисим направил митрополиту Сергию письмо, в котором он описывал свое тяжелое физическое состояние и болезни и просил исходатайствовать перед властями его досрочное освобождение «по старости и неспособности к труду». 10 августа 1933 года Особое Совещание при Коллегии ОГПУ постановило досрочно освободить епископа. В том же году митрополит Сергий назначил епископа Онисима на Тульскую кафедру.
18 декабря 1935 года епископ Онисим (Пылаев) был арестован по обвинению в руководстве контрреволюционной группировкой и заключён в Бутырскую тюрьму в Москве. Вместе с ним были арестованы ещё 26 человек, в основном священники и монашествующие.
По приговору Особого совещания при НКВД СССР он был выслан на пять лет на Север; жил в Каргополе. В Рождественский сочельник, 6 января 1938 года был вновь арестован, 13 января приговорён к расстрелу и 27 февраля расстрелян.
Причислен к лику святых Русской Православной Церкви в 2001 году.