Родился 4 июля 1815 г. (22 июня 1815 г. по ст. ст.) в Москве. Его отец - Андрей Илларионович Федотов - служил в армии во времена Екатерины II, при выходе в отставку получил чин поручика и дворянство, имел гражданский чин титулярного советника. Мать - Наталья Алексеевна, в девичестве Калашникова.
В детстве Павел Федотов обучался в церковно-приходской школе, пел в хоре корпусных певчих.
В 1826 г. в возрасте 11 лет был принят в Первый Московский кадетский корпус. Стал лучшим учеником курса. В свободное время занимался музыкой, писал стихи, но его главным увлечением было рисование.
В 1830 г. за успехи в учебе его произвели в унтер-офицеры малолетнего отделения. В 1832 г. Федотов окончил курс в чине фельдфебеля. Его имя было занесено в список лучших учеников на почетную мраморную доску корпуса.
В 1833 г. был издан высочайший приказ о производстве Павла Федотова в офицерский чин прапорщика. В начале 1834 г. он прибыл для службы в лейб- гвардии гренадерский Финляндский полк, который был расквартирован на Васильевском острове Петербурга. В этом полку будущий живописец прослужил десять лет.
Одновременно подрабатывал переводами с немецкого языка, самостоятельно занимался рисованием.
Через несколько лет после начала службы поступил на вечерние рисовальные курсы при Императорской Академии художеств. Рисовал акварельные и карандашные портреты своих сослуживцев, сцены полковой жизни и карикатуры.
В феврале 1837 г. в составе Финляндского полка участвовал в 167-верстном походе (порядка 178 км) по маршруту Пулково - Ижора - Тосно - Царское Село - Гатчина - Красное Село - Петербург. Вместе с другими офицерами получил высочайшую благодарность за этот поход.
Летом того же года Красносельский военный лагерь гвардейцев посетил великий князь Михаил Павлович, брат Николая I. Под впечатлением от этой встречи Павел Федотов написал акварелью картину "Встреча в лагере лейб- гвардии Финляндского полка великого князя Михаила Павловича 8 июля 1837 года". За эту работу Михаил Павлович подарил художнику бриллиантовый перстень и распорядился предоставить ему долгосрочный отпуск. С августа по декабрь 1837 г. Павел Федотов жил с семьей в Москве. Там он создал две работы - "Портрет отца" и "Прогулка".
В 1839 г. Федотов начал писать картину "Освящение знамен в Зимнем Дворце, обновленном после пожара". Еще неоконченная работа была представлена императору Николаю I, который разрешил начинающему художнику покинуть военную службу, чтобы продолжить занятия живописью, и назначил ему ежемесячное пособие.
Павел Федотов предпочел остаться в Финляндском полку. В 1842 г. он написал картину "Отдых во время кампании", в 1843 г. - "Бивуак лейб- гвардии Гренадерского полка. Установка офицерской палатки".
В 1843 г. его назначили командиром роты. Однако в январе 1844 г. Павел Федотов все же решил оставить службу и вышел в отставку в чине капитана с правом ношения военного мундира.
После отставки продолжил обучение в классах Академии художеств, посещал уроки профессора Александра Зауервейда. Своим направлением избрал батальную живопись. Им были сделаны эскизы картин "Французские мародеры в русской деревне, 1812 год", "Переход егерей вброд через реку на маневрах" и др. Но истинный талант художника проявлялся в изображении жанровых сцен. Баснописец Иван Крылов, высоко оценивший работы Федотова, посоветовал ему обратиться к жанровой живописи.
В 1846 г. художник создал по уже имевшимся у него наброскам картину "Свежий кавалер" ("Утро чиновника, получившего первый крест"), ради которой освоил технику письма маслом. Спустя год им была написана "Разборчивая невеста" на сюжет басни Крылова, а в 1848 г. - "Сватовство майора" (в 1851 г. был сделан второй вариант). Еще во время работы над первыми двумя полотнами по протекции известного живописца и педагога Карла Брюллова Федотов был выдвинут на звание академика и получил денежное пособие.
Все три его полотна были представлены на академической выставке 1848 г. и получили высокие отзывы критиков. В 1849 г. совет Академии художеств единогласно присвоил Павлу Федотову звание академика, его имя стало известно широкой публике. В 1850 г. в Москве прошла персональная выставка живописца.
Критики отмечали тонкую наблюдательность Федотова, его остроумие, умение подмечать типичные черты разных сословий - купечества, чиновников, дворянства и др., сатирически точно их изображать. Впоследствии художник получил известность как один из родоначальников критического реализма в русской живописи.
Среди его картин - "Портрет Надежды Павловны Жданович, в замужестве Вернер, за клавесином" (1849), "Завтрак аристократа" ("Не в пору гость", 1849-1850), "Вдовушка" (1851) и др. Последними, неоконченными, полотнами стали "Анкор, еще анкор!" (1851-1852) и "Игроки" (1952).
Помимо живописи Павел Федотов писал стихи, песни, басни, романсы и элегии, однако при его жизни ни одно сочинение не было опубликовано. Цензура запретила издание сатирического журнала "Вечером вместо преферанса", для которого Федотов создал несколько басен, а также "Иллюстрированный альманах" Николая Некрасова, в который должны были войти иллюстрации художника к рассказам Федора Достоевского. Позднее, в 1857 г., уже после смерти Федотова, его поэма "Поправка обстоятельств, или Женитьба майора" была издана в Лейпциге (Германия), но в России не публиковалась из- за цензурных запретов.
В начале 1850-х гг. у художника ухудшилось зрение, он стал страдать головными болями. Весной 1852 г. у него диагностировали признаки острого психического расстройства. Он был помещен в больницу, где скончался 26 ноября (14 ноября) 1852 г. в возрасте 37 лет.
Художник был похоронен на Смоленском православном кладбище в мундире капитана лейб-гвардии Финляндского полка. В 1936 г. его прах перезахоронили на Тихвинском кладбище Ленинграда, ныне могила Павла Федотова находится на территории некрополя мастеров искусств Александро- Невской лавры.
По словам критика Владимира Стасова, художник "умер, произведя на свет лишь маленькую крупинку из того богатства, каким была одарена его натура. Но эта крупинка была чистое золото и принесла потом великие плоды".
Картины и рисунки Павла Федотова хранятся в Государственной Третьяковской галерее (Москва), в Русском музее (Санкт-Петербург), Музее русского искусства (Киев).