Родился в Москве. История о том, как Павел Ильин попал в театральный вуз, а затем и на театральные подмостки, немного необычна и не очень похожа на множество других историй из биографий его коллег по актерскому цеху. По окончании восьмого класса Павел поступил в Московский радиоприборостроительный техникум. В свободное от учебы время занимался в театральной студии «Обелиск» под руководством Геннадия Яловича. В ней-то его и обнаружил ассистент режиссера кинокартины «Нежный возраст» (1983). Так Павел попал на съемочную площадку. Киностудия добилась для молодого актера полугодовой отсрочки от армии, чтобы он смог завершить съемки и принять участие в озвучении фильма, однако вскоре после этого он был призван в ряды Вооруженных Сил. Службу проходил на территории Казахской ССР в составе танкового полка гвардейской учебной дивизии. Два года просидел безвылазно в штабе батальона, выполняя обязанности писаря.

По возвращении из армии попытался поступить в Школу-студию МХАТ, на курс к Олегу Табакову, но вступительные испытания не прошел. Второй раз попытал счастья через два года и был принят на курс Василия Маркова. На сцене Художественного театра дебютировал еще первокурсником, сыграв небольшую роль в спектакле «Так победим!», а по окончании вуза был принят в труппу театра и тогда же начал преподавать мастерство актера в альма-матер.

В общей сложности чеховскому МХАТу Павел посвятил восемь лет. Самыми важными для него работами этого периода стали Львов в «Иванове», Альбер в «Красивой жизни», Гриша в «Варварах», Дирижер в «Московском хоре» и Бутон в «Кабале святош».

В 1995 году Олег Табаков предложил Павлу присоединиться к труппе его театра на улице Чаплыгина. Решение для актера было непростым, над ответом он думал около полугода, но в конце концов, взвесив все «за» и «против», согласился.

За первые пять лет служения в «Табакерке» Павлу удалось стать своим в крохотном, не сопоставимом по своим масштабам со мхатовским, коллективе, состоявшем в основном из учеников Табакова. Он создал ряд запоминающихся образов, которые не могли остаться незамеченными. Это прежде всего Лева Уткин и Шиммельпристер в спектаклях Андрея Житинкина «Псих» и «Признания авантюриста Феликса Круля», Джироламо Медебак и Джеймс Дейли в постановках Олега Табакова «Прощайте… и рукоплещите!» и «Чемпионы», Макс и Зигелькранц в «Камере обскура», Пастор в «Отце».

Следующее десятилетие принесло Павлу сотрудничество с такими режиссерами, как Миндаугас Карбаускис, Евгений Каменькович и Александр Марин. Особое место в биографии артиста занимают работы с режиссером Константином Богомоловым, занявшим его в спектаклях «Волки и овцы» (Лыняев), Wonderland-80 (Сорокин) и «Чайка» (Шамраев). В этих работах актер сумел показать себя с незнакомых зрителям сторон. Также нельзя не отметить героев Павла в спектаклях Александра Марина, поставленных в 2010-х годах: Жигалова в «Браке 2.0», Дядю Митю в «Сестре Надежде» и Шарля Бовари в «Эмме», безусловно, не только занявших важное место в послужном списке актера, но и ставших украшением репертуара «Табакерки».

В 2015 году актер стал хорошо знаком телезрителям благодаря роли Степана, сыгранной им в сериале «Лондонград».

В 2008 году Павлу было присвоено звание заслуженного артиста России.