Роман Павлюченко родился 15 декабря 1981 года в поселке Мостовской Краснодарского края. Через несколько дней после рождения сына семья переехала в Карачаево-Черкесию, в город Усть-Джегута. В 1990 году отец Романа отвел сына к заслуженному тренеру Карачаево-Черкесской Республики Хасану Курочинову, руководителю республиканской ДЮСШ «Победа».
В «Победе» Павлюченко провел 7 лет, выступая с игроками, которые были старше него на два года. После 9 класса перешел в Ставропольское училище олимпийского резерва, где учился и одновременно выступал за молодежную команду ставропольского клуба «Динамо». Под руководством тренеров Владимира Токарева и Владимира Китина, Роман вырос в профессиональном плане.
В 2000 году Павлюченко заключил долгосрочный контракт и перешел в волгоградский «Ротор. Вместе с ним в Волгоград переехала и его семья, отец устроился на работу в клуб водителем.
В ноябре 2002 года спортсмен подписал соглашение с московским «Спартаком», заплатившим за трансфер форварда 700 тысяч евро. В «Спартаке» Роман играл по август 2008 года.
В составе сборной России Роман Павлюченко принимал участие в Чемпионате Европы по футболу 2008 года. На протяжении турнира провел пять матчей и забил три мяча. В результате стал бронзовым призером первенства.
С августа 2008 по февраль 2012 года российский футболист защищал цвета английского клуба «Тоттенхэм Хотспур». Именно трансфер на Туманный Альбион сделал Павлюченко одним из самых дорогих российских футболистов, когда-либо проданных за рубеж. Сумма сделки составила 14 миллионов фунтов. В составе «шпор» Роман в общей сложности провел 112 матчей и забил 42 гола.
В 2012 году нападающий вернулся в Россию и вошел в состав московского футбольного клуба «Локомотив». Летом 2015 года Павлюченко, так и не ставший игроком основы «Локо», покинул клуб и заключил годичный контракт с краснодарской «Кубанью».
Очередной контракт футболист подписал 30 мая 2017 года с командой первенства ПФЛ «Арарат» Москва, но уже 17 ноября того же года «Арарат» расторг контракт со спортсменом.
В 2020 году Павлюченко принял предложение подмосковного футбольного клуба «Знамя». В составе ногинской команды прославленный нападающий играет без контракта - в качестве любителя.