Le pratiche giuridiche preliminari del processo di beatificazione iniziarono un anno dopo la morte del Padre, nel 1969, ma incontrarono molti ostacoli, da parte di coloro che erano stati nemici dichiarati di Padre Pio. Furono ascoltati decine di testimoni e raccolti 104 volumi di disposizioni e documenti, e nel 1979 tutto il materiale fu inviato a Roma al vaglio degli esperti del Papa. Il procedimento che portò alla canonizzazione ebbe inizio con il nihil obstat del 29 novembre 1982. Il 20 marzo 1983 iniziò il processo diocesano per la sua canonizzazione. Il 21 gennaio 1990 Padre Pio venne proclamato venerabile, fu beatificato il 2 maggio 1999 e proclamato santo il 16 giugno 2002 in piazza San Pietro da papa Giovanni Paolo II come san Pio da Pietrelcina. La sua festa liturgica viene celebrata il 23 settembre.
Tra i presunti segni miracolosi che gli vengono attribuiti troviamo le 'stigmate' che avrebbe portato per 50 anni (20 settembre 1918 - 23 settembre 1968), il dono della bilocazione, la profezia, la lettura dei cuori (capacità di leggere nella mente delle persone, carisma noto come cardiognosi) e la percezione, da parte dei fedeli, di intensi profumi di vario tipo (violette, gelsomino, mughetto, rose ecc.), che si sarebbero manifestati, come segno della sua presenza, anche dopo la sua morte. Il carisma della lettura dei cuori veniva manifestato soprattutto durante le confessioni (Padre Pio arrivava a confessare anche per diciotto ore al giorno: si stima che, in cinquant'anni, abbia confessato circa seicentomila persone). Innumerevoli sono le testimonianze di chi scopriva come il frate conoscesse in anticipo i peccati che gli venivano confessati.

Tra i molti miracoli attribuitigli c'è quello della guarigione del piccolo Matteo Pio Colella di San Giovanni Rotondo, sul quale è stato celebrato il processo canonico che ha portato poi alla elevazione agli altari di San Pio. Tra i casi di bilocazione che lo avrebbero visto protagonista c'è quello riferito da Luigi Orione,

secondo il quale nel 1925, mentre si trovava in piazza San Pietro per i festeggiamenti in onore di Teresa di Lisieux, gli sarebbe apparso inaspettatamente Padre Pio, che in realtà non si mosse mai dal convento che lo ospitò dal 1918 [1917, ndr] sino alla morte. Un altro caso di bilocazione avrebbe avuto come protagonista il generale Luigi Cadorna: questi, dopo la sconfitta di Caporetto, aveva deciso di uccidersi, ma fu dissuaso dal frate di Pietrelcina, che gli sarebbe apparso improvvisamente nella tenda militare, sparendo poi in modo altrettanto misterioso.