Родился 5 января (23 декабря 1909) 1910 года в Зайсане (ныне Республика Казахстан). Отец — учитель Зайсанской приходской школы, выходец из среды семиреченских казаков.
Окончил школу в Омске в 1925 году, затем несколько месяцев проучился во Владивостокском университете. В 1926 году ушёл в плавание матросом. Был старателем на золотых приисках реки Лены, о чём рассказал в книгах очерков «В золотой разведке» (1930) и «Люди в тайге» (1931).
Первые стихи опубликовал во владивостокских газетах в 1926—1927 годах.
В 1928 году переехал в Москву учиться в Высшем литературно-художественном институте им. В. Я. Брюсова.
Публиковался в московских журналах, выступал с чтением собственных стихов. Имел репутацию «хулигана», близкого по духу и стилю поведения С. А. Есенину, которого высоко чтил. Первая поэма «Песня о гибели казачьего войска» (в 18-ти частях, писавшаяся в 1928—1932) распространялась в списках. За короткое время он написал 10 поэм фольклорно-исторического содержания, из которых в печати появилась только поэма «Соляной бунт» (1934).
В 1932 вместе с Евгением Забелиным, С. Марковым, Леонидом Мартыновым и другими сибирскими литераторами был арестован по обвинению в принадлежности к контрреволюционной группировке литераторов — дело т. н. «Сибирской бригады», — однако осуждён не был. В 1934 против него развернулась кампания травли, в ходе которой его обвиняли в пьянстве, хулиганстве, антисемитизме, белогвардейщине и защите кулачества, к которой присоединился и М. Горький, указав на целесообразность его «изолирования». В 1935 в результате окололитературных провокаций и доносов осуждён за «злостное хулиганство», весной 1936 освобождён.
В 1936 году на экраны СССР вышел фильм «Партийный билет», в котором Павел Васильев стал прообразом главного героя — «шпиона», «диверсанта» и «врага народа».
В феврале 1937 года вновь арестован и 15 июля приговорён Военной коллегией Верховного суда СССР к расстрелу по обвинению в принадлежности к «террористической группе», якобы готовившей покушение на Сталина. Расстрелян в Лефортовской тюрьме 16 июля 1937. Похоронен в общей могиле «невостребованных прахов» на новом кладбище Донского монастыря в Москве.
В 1956 году посмертно реабилитирован. Заново разгорелись споры о его политической позиции, в ходе которых поэта, убитого в возрасте 27 лет, достойно защищал C. Залыгин. Большую роль в восстановлении доброго имени, в собирании и издании разрозненного тогда творчества Павла Васильева сыграли его вдова Елена Александровна Вялова-Васильева (1909—1990), его свояк и литературный покровитель Иван Гронский (в 1930-е годы ответственный редактор газеты «Известия»), а также его друг поэт Сергей Поделков, сами уже отбывшие сроки заключения.
В стихах Васильева сочетаются фольклорные мотивы старой России с открытым, лишённым штампов языком революции и СССР. Выросший в Казахстане среди прииртышских казачьих станиц, основанных потомками новгородских ушкуйников, ходивших на Обь ещё в XIV веке, будущий поэт с детства впитал две великие культуры — древнерусскую и казахскую, что позволило ему стать своеобразным мостом между противоположностями — Востоком и Западом, Европой и Азией.
В поэме «Кулаки», которую считали «одним из самых значительных» произведений поэта, им ярко показана разноплановость советской деревни, невозможность быстро привыкнуть к обобществлению и коллективизации, борьба с кулаками, ведущаяся советской властью и часто приводящая к трагическим последствиям.
В своей последней, во многом автобиографической поэме «Христолюбовские ситцы» (1935—1936) Павел Васильев изобразил грядущий постсоветский период развития страны и показал в образе Игнатия Христолюбова мучительный, но неизбежный процесс формирования героического человека будущего — художника и творца, сочетающего в себе идеалы Христа с практическими делами Ленина, — гения, способного преодолеть пороки этого мира.
Огромная взрывная сила мыслей и образов Павла Васильева основана на страстной вере поэта в то, что увековеченное им в стихах «прекраснейшее, выспренное» будущее страны и мира безусловно будет воплощено в жизнь новыми героями, идущими по его стопам.