Родился 21 января 1953 г. в Сиэтле (шт. Вашингтон, США) в семье библиотекаря и учительницы.
В 1968 г., во время учебы в престижной частной школе "Лейксайд" в Сиэтле, познакомился с Биллом Гейтсом, который был младше его на полтора года. Оба они увлекались программированием.
После школы Пол Аллен поступил в Университет штата Вашингтон в г. Пуллман. Однако в 1974 г. оставил учебу и начал работать в корпорации Honeywell ("Ханиуэлл", производитель электронных систем управления и автоматизации) в Бостоне, шт. Массачусетс.
В 1975 г. вместе с Билом Гейтсом основал компанию по разработке программного обеспечения для персональных компьютеров, ставшую впоследствии известной как Microsoft. Гейтс занял пост ее президента и получил 60% акций, Аллен стал исполнительным вице-президентом (40% акций). В 1976 г. фирма была зарегистрирована как Micro-Soft в г. Альбукерке (шт. Нью-Мексико).
В 1981 г. Microsoft создала ставшую впоследствии всемирно известной операционную систему для персональных компьютеров MS-DOS ("Эм-эс-дос"), через два года - текстовый редактор Word ("Ворд"), в 1985 г. появился пользовательский интерфейс для системы - Microsoft Windows ("Виндоус"). При этом сам Пол Аллен с конца 1970-х гг. практически не участвовал в управлении компанией и разработке ее новых продуктов. Из-за этого Гейтс и его новый деловой партнер, Стив Баллмер, попытались "размыть" долю Аллена.
В сентябре 1982 г. у Пола Аллена было диагностировано онкологическое заболевание - лимфома Ходжкина. Из-за болезни и продолжавшихся конфликтов с Гейтсом и Балмером в начале 1983 г. Пол Аллен уволился из Microsoft. При этом он не стал сразу продавать свою долю в компании и до 2000 г. оставался в совете ее директоров.
После выхода компании на биржу в 1986 г. Аллен сразу стал мультимиллионером, а в 1990 г., после взлета цены акций Microsoft, попал в списки миллиардеров.
Со своей болезнью Аллен справился к середине 1983 г. благодаря пересадке костного мозга. После этого начал постепенно продавать свои акции Microsoft на открытом рынке, инвестируя вырученные деньги и занимаясь благотворительностью. В 1986 г. он зарегистрировал свой холдинг для управления активами - компанию Vulcan ("Вулкан"). В основном, вкладывал средства в недвижимость. В 1988 г. приобрел баскетбольный клуб "Портленд Трэйл Блэйзерс", а в 1997 г. - клуб по американскому футболу "Сиэтл Сихокс". В 1997 г. вместе с сестрой Джоди основал киностудию Vulcan ("Вулкан"). В 2003 г. учредил Институт Аллена по исследованиям мозга, в 2013 г. - Институт Аллена по исследованиям искусственного интеллекта, в 2014 г. - Институт по исследованию клеток. В 2003 г. стал главным инвестором компании Mojave Aerospace Ventures ("Мохаве аэроспейс венчерс") - разработчика суборбитального космического корабля SpaceShipOne ("Спейс шип 1"). Также в разные годы вкладывал в высокотехнологичные компании America Online (AOL, "Америка онлайн"), Asymetrix ("Асиметрикс"), выделял крупные средства на экологические исследования, борьбу с вирусом Эбола и болезнью Альцгеймера, различные образовательные и музейные проекты. В частности, Пол Аллен выделил 250 млн долларов США на открытие музея музыканта Джими Хендрикса.
В 1997-2007 гг. входил в первую десятку списка миллиардеров мира по версии журнала Forbes. В рейтинге 2018 г. занимал 44-е место в мире и 20-е - в США с состоянием в 21,7 млрд долларов. К 2018 г. он продал значительную часть своих акций Microsoft. По данным СМИ, у него оставалось порядка 1,5% ценных бумаг компании (официально его доля в отчетности Microsoft не раскрывалась). Был известен как владелец двух крупных океанических яхт - Octopus ("Октопус") и Tatoosh ("Татуш").
В 2007 и 2008 гг. включался в список 100 самых влиятельных людей мира по версии журнала Time.
В 2009 г. объявил, что у него диагностирована неходжкинская лимфома. Ему удалось победить болезнь, однако ее рецидив в 2018 г. привел к смерти Аллена. Скончался 15 октября 2018 г. в Сиэтле.
Был членом Американской академии искусств и наук (2011).
Имел почетные дипломы и степени Университета штата Вашингтон, Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) и др.
Автор мемуаров "Пол Аллен: человек идей" (2011).
Пол Аллен был холост, детей у него не было.