Родился в Москве в 1938 году. Мать, Валерия Павловна Погожева, работала редактором на Киностудии имени М. Горького. Тётя, Людмила Павловна Погожева, — известный кинокритик, в 1956—1969 годах — главный редактор журнала «Искусство кино», член Союза писателей. Сам Павел писал рассказы, стихи, но о кинокарьере не думал и вместе с другом готовился к поступлению в Институт иностранных языков. Однако после того, как друга на его глазах застрелил пьяный военный (в тот день они дежурили в качестве дружинников), Павел внезапно решил сменить профессию и подал документы во ВГИК.
В 1962 году окончил режиссёрский факультет ВГИКа (мастерские Григория Рошаля и Юрия Геники).
С 1964 года работал на киностудии имени М. Горького специалистом по массовке, затем режиссёром-постановщиком. Уже дипломная работа Любимова «Тётка с фиалками» была отмечена премией кинофестиваля в Кракове (1964). Серебряной медалью имени Довженко была отмечена режиссёрская работа Павла Любимова над фильмом «Весенний призыв», в котором главные роли сыграли Александр Фатюшин и Игорь Костолевский. Творчеству Любимова присущ интерес к современным проблемам, скрытым в будничной жизни. Один из его лучших фильмов — «Женщины» (1966). Снимал сюжеты для киножурнала «Ералаш».
Фильм Любимова «Следопыт» стал последней работой в кино Андрея Миронова. Финал картины не успели доснять: за день до съёмок Миронов умер. Было решено не переснимать фильм с новым актёром, а оставить как есть в память о великом артисте, хотя сюжетно, по словам режиссёра, картина от этого проиграла — роль не была до конца раскрыта.
Также Любимов был известен как переводчик с английского языка; он специализировался на литературных переводах современных английских и американских авторов и перевёл более 25 книг.
В 1980-е годы вместе с матерью и тётей жил в ЖСК «Советский писатель» (Красноармейская улица, дом № 21).
Похоронен на Ваганьковском кладбище.
