Павел Александрович Брюллов родился 29 августа 1840 в Павловске Санкт-Петербургской губернии, в семье профессора архитектуры Императорской Академии художеств. Дядей будущего художника был выдающийся живописец Карл Брюллов.
После окончания физико-математического факультета Санкт-Петербургского университета Павел продолжил заниматься наукой. В 1863 году он стал кандидатом физико-математических наук и в тот же период начал посещать занятия архитектурного отделения Императорской Академии художеств.
Молодой Брюллов присутствовал на классах основоположника «русско-византийского стиля» храмового зодчества Константина Тона, проектировавшего многие здания Петербурга Андрея Штакеншнейдера, своего отца Александра Брюллова и других выдающихся архитекторов того времени.
В период 1872-1914 годов художник активно участвовал в выставках передвижников. Впоследствии его избрали в члены правления Товарищества, а затем назначили на пост казначея. В 1904 году, являясь к тому времени действительным членом Императорской Академии художеств, Брюллов вошел в ее Совет. С 1897 по 1912 год художник также являлся хранителем художественного отдела Русского Музея Императора Александра III.
Павел Брюллов был женат два раза. Первой его супругой стала писательница Софья Кавелина, занимавшаяся историческими исследованиями. Дочь известного историка-публициста Константина Кавелина была одной из первых студенток женских гимназий, открытых в 1860-х годах. В двадцатипятилетнем возрасте она скончалась. Второй раз художник женился на Маргарите Григорьевне Лихониной.
Умер Павел Александрович Брюллов 16 декабря 1914 года в родном Павловске.
