Родился 5 января 1910 г. (23 декабря 1909 г. по ст. ст.) в Зайсане (ныне Республика Казахстан)^[2]. Отец — Николай Корнилович Васильев (1886—1940), сын пильщика и прачки, выпускник Семипалатинской учительской семинарии. Мать — Глафира Матвеевна, урожд. Ржанникова (1888—1943), дочь крестьянина Красноуфимского уезда Пермской губернии. В 1906 г. супруги Васильевы приехали в Зайсан, где Николай Корнилович поступил учителем в приходскую школу. Два первых ребёнка, Владимир и Нина, умерли в младенчестве. Боясь за судьбу третьего, Павла, Васильевы в 1911 г. переехали в Павлодар, где Николай Корнилович преподавал на педагогических курсах.

Васильевы часто переезжали по местам службы Николая Корниловича: в 1913 г. — в станицу Сандыктавскую; в 1914 г. — в Атбасар; в 1916 г. — в Петропавловск, где Павел поступил в первый класс; в 1919 г. — в Омск, где Н. К. Васильев оказался, будучи мобилизован в армию Колчака. В конце 1920 г. 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 г. отправился в организованное для учащихся плавание на пароходе вверх по Иртышу до озера Зайсан.

Первые стихи написал в 1921 г. По просьбе учителя литературы написал стихотворение к годовщине смерти В. И. Ленина, ставшее школьной песней.

По окончании школы, в июне 1926 г. 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, во Владивостоке, в газете «Красный молодняк» 6 ноября 1926 года было опубликовано его первое стихотворение «Октябрь».

В начале декабря уехал в Москву. По пути останавливался в Хабаровске, Новосибирске, Омске, где участвовал в литературных собраниях и печатался в местной периодике. В Новосибирске Павел Васильев со стихами появляется в редакции журнала «Сибирские огни». Редактор Владимир Зазубрин тепло встретил молодого поэта. Ему в сущности принадлежит честь открытия П. Васильеву пути в литературу. В «Сибирских огнях» появляются его стихи: «Рыбаки», «Письмо», «Все так же мирен листьев тихий шум» и другие. В Москву П. Васильев приехал в июле 1927 года, по направлению Всероссийского Союза писателей поступил на литературное отделение Рабфака искусств им. А. В. Луначарского (не окончил).

В 1928 г. 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, после появления которых Васильев уехал во Владивосток, где публиковал очерки в газете «Красное знамя».

Осенью 1929 г. приехал в Москву. Работал в газете «Голос рыбака», в качестве специального корреспондента ездил на Каспий и Арал.

В 1930 — 1932 годах стихи П. Васильева публикуются в «Известиях», «Литературной газете», «Новом мире», «Красной нови», «Земли советской», «Пролетарском авангарде», «Женском журнале», «Огоньке» и других популярных периодических изданиях. Появляется поэма «Лето», печатаются главы «Песни о гибели казачьего войска», в 1934 году — поэмы «Синицын и К*» и «Автобиографические главы». Признание поэтического таланта сопровождалось постоянными оговорками о чуждости его новому строю, яркая творческая личность поэта стала заслоняться окололитературными сплетнями, как было в свое время с Сергеем Есениным.

Весной 1932 г. арестован, вместе с Е. Забелиным, С. Марковым, Л. Мартыновым и другими сибирскими литераторами, по обвинению в принадлежности к контрреволюционной группировке литераторов — дело т. н. «Сибирской бригады», — однако осуждён не был.

В 1934 г. статья М. Горького «О литературных забавах»^[3] положила начало кампании травли Васильева: его обвиняли в пьянстве, хулиганстве, антисемитизме, белогвардейщине и защите кулачества. В январе 1935 г. исключён из Союза писателей, в июле арестован и осуждён за «злостное хулиганство»; срок отбывал в Рязанской тюрьме. Освобождён весной 1936 г.

В 1936 г. на экраны СССР вышел фильм «Партийный билет», в котором Васильев стал прообразом главного героя — «шпиона», «диверсанта» и «врага народа».

В феврале 1937 г. 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. 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 гг. 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 т. ч. неизданные.