Павел Павленко родился 20 сентября 1902 года в Киеве. Его отец, оперный актёр, в 1903 году переехал на постоянное место жительства в Москву и перевез с собой семью. В 1919 году окончил Московский Государственный институт музыкальной драмы. Хотел поступить в Московскую оперетту, но Григорий Ярон не пустил его, заявив: «Нам второй Ярон не нужен!».
На сцене с 1920 года. Работал в Московском Украинском театре, Московском театре для детей, Харьковском Краснознамённом театре и других.
В годы войны играл в Театре имени Моссовета.
Снимался в фильмах-сказках Александр Роу, экранизациях романов Достоевского, Ильфа и Петрова.
После 1976 года в кино не снимался.
Был женат на Анне Степановне Потапенко. Детей у супругов не было.
Скончался 9 марта 1993 года (по другому источнику 1992 года) в Москве на 91-м году жизни. Похоронен на Введенском кладбище.