Родился 12 июля 1949 г. в Москве в семье Семена Львовича (1920-1996) и Лилианны Зиновьевны (1920-1998) Лунгиных. Отец - заслуженный деятель искусств РСФСР, драматург и сценарист. Мать - филолог, известна как автор русского перевода повести шведской писательницы Астрид Линдгрен "Малыш и Карлсон, который живет на крыше".
В 1971 г. Павел Лунгин окончил филологический факультет Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, в 1980 г. - режиссерское отделение Высших курсов сценаристов и режиссеров (выпускник мастерской Георгия Данелии и Михаила Львовского).
В начале 1970-х гг. работал математиком-программистом в Институте социологических исследований Академии наук СССР (ныне - Институт социологии Российской академии наук), затем - сотрудником отдела науки "Литературной газеты".
В середине 1970-х гг. Павел Лунгин начал работу в кинематографе. Дебютировал как сценарист детского фильма "Все дело в брате" (1976, режиссер Валентин Горлов). В дальнейшем написал сценарии к фильмам "Конец императора тайги" (1978, Владимир Саруханов), "Все наоборот" (1981, Виталий Фетисов и Владимир Грамматиков), "Непобедимый" (1983, Юрий Борецкий), "Опасный приз" (1986, Владимир Златоустовский), "Попутчик" (1986, Иван Киасашвили), "Христиане" (1987, Дмитрий Золотухин).
В 1990 г. Павел Лунгин снял по собственному сценарию драму "Такси-блюз" с Петром Мамоновым и Петром Зайченко в главных ролях. Фильм был удостоен приза за лучшую режиссерскую работу на Каннском фестивале.
С начала 1990-х гг. до середины 2000-х гг. Павел Лунгин преимущественно проживал во Франции, но при этом работал в России. В 1990-е гг. он снял драмы "Луна-парк" (1992) и "Линия жизни" (1996).
Широкую известность получил следующий фильм режиссера - трагикомедия "Свадьба" (2000). Картина получила спецприз жюри Каннского фестиваля "За лучший актерский ансамбль", а также призы международного кинофестиваля в Тромсё (Норвегия) и российского кинофестиваля "Окно в Европу" (Выборг).
В первой половине 2000-х гг. снял фильмы "Олигарх" по мотивам романа Юлия Дубова "Большая пайка" (2002) и "Бедные родственники" (2005, удостоен главного приза кинофестиваля "Кинотавр"), а также телесериал "Дело о "Мертвых душах" (2005).
Следующая картина Павла Лунгина - драма "Остров" (2006) с Петром Мамоновым в главной роли - была отмечена российскими кинопремиями "Золотой орел" и "Ника" в категориях "Лучший игровой фильм" и "Лучшая режиссерская работа".
Режиссер также поставил фильмы "Ветка сирени" (2007), "Царь" (2009), "Дирижер" (2012), "Дама пик" (2016), снял телесериал "Родина" (2015).
В мае 2019 г. состоялась премьера фильма Павла Лунгина "Братство", посвященного выводу советских войск из Афганистана.
Павел Лунгин является автором и соавтором сценариев большинства своих фильмов. В 2008 г. он выпустил сборник "Такси-блюз и другие киносценарии".
Член Союза кинематографистов РФ, Национальной академии кинематографических искусств и наук России, Российской академии кинематографических искусств "Ника".
Член общественного совета Российского еврейского конгресса.
Почетный член Российской академии художеств.
В 2010-2018 гг. Павел Лунгин был президентом Международного кинофестиваля им. Андрея Тарковского "Зеркало" (проводится в Ивановской области).
В 2010-2012 гг. входил в состав Общественной палаты РФ (работал в составе комиссии по сохранению и развитию отечественной культуры). Также занимал должность руководителя рабочей группы по общественному контролю за процессом реформирования государственной поддержки российской кинематографии и развития отечественного кинопроката.
В 2012 г. являлся доверенным лицом кандидата в президенты РФ Михаила Прохорова.
В 2016 г. вошел в клуб советников Партии роста.
Народный артист РФ (2008).
Награжден орденами Дружбы (2010) и Почетного легиона (Франция, 2012).
Женат вторым браком. Супруга - Елена Лунгина (род. 1958, директор Московской школы фотографии и мультимедиа им. А. Родченко). От брака с ней - сын Иван (род. 1979, художник). От первого брака - сын Александр (род. 1971, режиссер и сценарист).