Васильевы часто переезжали по местам службы Николая Корниловича: в 1913 году — в станицу Сандыктавскую; в 1914 году — в Атбасар; в 1916 году — в Петропавловск, где Павел поступил в первый класс; в 1919 году — в Омск, где Н. К. Васильев оказался, будучи мобилизован в армию Колчака. В конце 1920 года Васильевы вернулись в Павлодар, где поселились у родителей Глафиры Матвеевны. Павел учился в 7-летней школе, находящейся в ведении Управления водного транспорта, которой заведовал его отец, затем — в школе II ступени. Летом 1923 года отправился в организованное для учащихся плавание на пароходе вверх по Иртышу до озера Зайсан.
Первые стихи написал в 1921 году. По просьбе учителя литературы написал стихотворение к годовщине смерти В. И. Ленина, ставшее школьной песней.
По окончании школы, в июне 1926 года уехал во Владивосток, несколько месяцев проучился в Дальневосточном университете, где прошло его первое публичное выступление. Участвовал в работе литературно-художественного общества, поэтической секцией которого руководил Рюрик Ивнев. Здесь же состоялась его первая публикация: в газете «Красный молодняк» 6 ноября 1926 года было напечатано стихотворение «Октябрь».
В начале декабря 1926 года уехал в Москву. По пути останавливался в Хабаровске, Новосибирске, Омске, где участвовал в литературных собраниях и печатался в местной периодике, в том числе в журнале «Сибирские огни«, выходившем под редакцией В. Зазубрина. В Москву приехал в июле 1927 года, по направлению Всероссийского Союза писателей поступил на литературное отделение Рабфака искусств им. А. В. Луначарского (не окончил).
В 1928 году жил у родителей в Омске, участвовал в местной литературной жизни. В августе Васильев и Н. Титов отправились в странствие по Сибири и Дальнему Востоку. Работали культмассовиками, охотниками, матросами, старателями на золотых приисках на Селемдже, о чём Васильев рассказал в книгах очерков «В золотой разведке» (1930) и «Люди в тайге» (1931); много печатались, часто подписываясь псевдонимами «Павел Китаев» и «Николай Ханов». По возвращении с приисков в Хабаровск вели богемный образ жизни, вызвав осуждающие отклики в прессе, с появлением которых Васильев уехал во Владивосток, где публиковал очерки в газете «Красное знамя».
Осенью 1929 года приехал в Москву. Работал в газете «Голос рыбака», в качестве специального корреспондента ездил на Каспий и Арал.
В 1930–1932 годах стихи Васильева печатались в «Известиях«, «Литературной газете«, «Новом мире«, «Красной нови«, «Земле советской«, «Пролетарском авангарде«, «Женском журнале«, «Огоньке« и других периодических изданиях. Одно из стихотворений посвятил Наталье Кончаловской. Признание поэтического таланта сопровождалось постоянными оговорками о чуждости Васильева новому строю, яркая личность поэта стала обрастать окололитературными сплетнями, как было в своё время с Сергеем Есениным.
Весной 1932 года арестован, вместе с Н. Ановым, Е. Забелиным, С. Марковым, Л. Мартыновым и Л. Черноморцевым, по обвинению в принадлежности к контрреволюционной группировке литераторов — дело т. н. «Сибирской бригады», — приговорён к высылке в Северный край на три года, однако освобождён условно.
В 1934 году статья М. Горького «О литературных забавах» положила начало кампании травли Васильева: его обвиняли в пьянстве, хулиганстве, нарушении паспортного режима, антисемитизме, белогвардейщине и защите кулачества. В январе 1935 года исключён из Союза писателей, в июле арестован и осуждён за «злостное хулиганство»; срок отбывал в Рязанской тюрьме. Освобождён весной 1936 года.
В 1936 году на экраны СССР вышел фильм «Партийный билет», в котором Васильев стал прообразом главного антигероя — «шпиона», «диверсанта» и «врага народа».
В феврале 1937 года арестован в третий раз, 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 года. 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 достойно защищал C. Залыгин. Большую роль в восстановлении доброго имени, в собирании и подготовке к изданию разрозненного тогда наследия Васильева сыграли его вдова Елена Александровна Вялова-Васильева (1909–1990) и его свояк и литературный покровитель Иван Гронский (в 1930-е годы — ответственный редактор газеты «Известия« и журнала «Новый мир«), а также поэты Павел Вячеславов, Сергей Поделков и Григорий Санников, на свой страх и риск собиравшие и хранившие произведения Васильева, в том числе неизданные.