Павел Лунгин родился 12 июля 1949 года в Москве, в семье сценариста Семёна Лунгина и филолога Лилианны Лунгиной, благодаря переводу которой история о Малыше и Карлсоне стала известной и столь популярной и любимой в России.
В этом же году у него родился сын Александр (в будущем — продюсер и кинорежиссёр). В 1980 году Павел Лунгин окончил режиссёрское отделение Высших курсов сценаристов и режиссёров (мастерская Г. Данелия, М. Львовского).
В кино Павел Лунгин дебютировал как сценарист в 1976 году — семейным фильмом «Всё дело в брате», рассказывающим историю двух братьев, один из которых примерный ученик, а второй лоботряс и бездельник. Затем по его сценариям были поставлены такие известные картины как «Конец императора тайги» (1978) и «Непобедимый» (1983). Первый фильм воспроизводит одну из малоизвестных страниц биографии Аркадия Гайдара (Голикова), когда он юношей был назначен командиром отряда ЧОНа (частей особого назначения); а второй рассказывает историю бывшего красноармейца Андрея Хромова, одержимого идеей создания нового вида борьбы — самообороны без оружия. Также по сценариям 1981), драмы Павла Лунгина были сняты такие фильмы как комедийная мелодрама «Всё наоборот» ( «Попутчик» (1986) и «Христиане» (1987), историческая драма «Восточный роман» (1992).
С начала 1990-х годов живёт во Франции и снимает все свои фильмы при участии французских продюсеров, но по-прежнему — в России и о России.
На главную роль в свою первую режиссёрскую работу, фильм «Такси-блюз», Павел Лунгин пригласил известного андеграундного рок-поэта, лидера группы «Звуки Му» Петра Мамонова, открыв его как киноактёра (до этого Мамонов снялся в небольшой роли в фильме Рашида Нугманова «Игла»). «Такси-блюз» — это мелодраматическая история о том, как жизнь соединила двоих ни в чем не схожих людей — практичного таксиста и безвольного спившегося музыканта. В фильме сжато и ярко, широкими мазками отражено всё, что Павел Семенович позже будет вкладывать в каждую свою картину. За эту картину Лунгин в 1990 году получил приз за лучшую режиссуру на Каннском кинофестивале.
В 2005 году по телевидению был показан снятый Лунгиным сериал Дело о «Мёртвых душах». Наряду с классической фабулой «Мёртвых душ» в фильме использованы фрагменты других знаменитых произведений Гоголя. Сценарий будущей фантасмагории Павел Лунгин писал в соавторстве с Юрием Арабовым, единственным кинодраматургом, который, по мнению режиссёра, мог осилить такую махину. Лунгин очень любит Гоголя. Режиссёр признаётся, что, когда ему только предложили этот проект, сперва он ужаснулся. Но, поразмыслив, пришёл к мнению, что именно «Гоголиада», а не просто экранизация «Мёртвых душ», должна ожить на экране.
В 2006 году Лунгин снял свой второй фильм с Петром Мамоновым в главной роли, «Остров», по сценарию Дмитрия Соболева. Режиссёра привлёк сценарий выпускника вгиковской сценарной мастерской прежде всего своей глубиной, духовностью и необычностью. К слову, Дмитрий Соболев — ученик Юрия Арабова, который вместе с Лунгиным работал над «Мёртвыми душами». «Остров» имел успех, вызвал большой резонанс, собрал множество наград на кинофестивалях. Фильм демонстрировался телеканалом «Россия» в канун православного Рождества в 2007 году, имя Петра Мамонова стало широко известно за пределами круга его поклонников. Режиссёр говорит, что картина «Остров» — «это фильм о Боге, стыде, грехе, преступлении. Но это ещё и попытка рассказать о том, как это мучительно больно — быть человеком. И как необходимо им быть». Лунгин также отмечал, что «Остров» в чём-то продолжает «Покаяние» Тенгиза Абуладзе и «Цареубийцу» Карена Шахназарова, но он более камерный и в большей мере обращён к отдельному человеку, нежели к обществу в целом.
В 2008 году в издательстве «Сеанс/Амфора» (СПб) вышла книга — сборник сценариев Павла Лунгина. В сборник вошли сценарии, написанные Лунгиным или при его участии с 1983 по 2007 годы, как для собственных фильмов («Такси-блюз», «Луна-парк», «Свадьба», «Олигарх»), так и для фильмов других режиссёров («Непобедимый», «Попутчик»). Сценарии опубликованы в их первоначальном виде, без литературной обработки или адаптации.
Весной 2009 года Павел Лунгин закончил съёмки нового фильма, с Петром Мамоновым и Олегом Янковским в главных ролях. Фильм «Царь» был показан на Каннском и 31-м Московском кинофестивале в 2009 году. На последнем Лунгин возглавил жюри основного конкурса.В 1971 году Павел Семёнович окончил отделение структурной и прикладной лингвистики МГУ.