Паулюс родился в Брейтенау в семье счетовода, служившего в тюрьме Касселя. В 1909 году окончил классическую гимназию имени кайзера Вильгельма и, после получения аттестата зрелости, поступил на юридический факультет Мюнхенского университета, где прослушал два семестра правоведения. Однако обучение не окончил и в феврале 1910 года поступил фанен-юнкером в 11-й (3-й Баденский) пехотный полк «Маркграф Фридрих Вильгельм».
Женился на Елене-Констанции Розетти-Солеску 4 июля 1912 года.
В начале войны полк Паулюса находился во Франции. Позже служил штабным офицером в частях горной пехоты (егерей) во Франции, Сербии и Македонии. Войну закончил капитаном.
До 1933 года служил на разных военных постах, в 1934—1935 гг. был командиром моторизованного полка, в сентябре 1935 года был назначен начальником штаба командования танковых соединений. В феврале 1938 года полковник Паулюс назначен начальником штаба 16-го моторизованного корпуса под командованием генерал-лейтенанта Гудериана. В мае 1939 года повышен в звании до генерал-майора и стал начальником штаба 10-й армии.
В начале военных действий 10-я армия действовала сначала в Польше, позже в Бельгии и Нидерландах. После смены нумерации десятая армия стала шестой. В августе 1940 года получил звание генерал-лейтенанта, с июня 1940 года по декабрь 1941 года был заместителем начальника генерального штаба немецкой армии (сухопутных сил) (в должности — Oberquartiermeister I). С 21 июля по 18 декабря 1940 года работал над разработкой плана по нападению на СССР.
В январе 1942 года был назначен командующим 6-й армией (вместо В. Рейхенау), которая в это время действовала на Восточном фронте. В августе 1942 года награждён Рыцарским крестом. Летом и осенью 1942 года 6-я армия входила в группу армий «Б», сражавшуюся на южном участке фронта, с сентября 1942 года участвовала в битве под Сталинградом, где была окружена советскими войсками. Паулюс, находясь в осаждённом Сталинграде, пытался уверить Гитлера, что армии правильнее будет в сложившейся ситуации оставить Сталинград и предпринять попытку прорыва для воссоединения с основными силами вермахта. Однако Гитлер в самой категорической форме запретил Паулюсу покидать осаждённый Сталинград. Гитлер пообещал Паулюсу, что будет налажено снабжение блокированной армии по «воздушному мосту» и, кроме того, в самое ближайшее время его армия будет деблокирована. Однако в действительности, вопреки заверениям Гитлера и Геринга (командующего Люфтваффе), оказалось невозможно наладить полноценное снабжение окружённой армии амуницией, боеприпасами, топливом и продовольствием посредством «воздушного моста».
15 января 1943 года Паулюс награждён Дубовыми Листьями к Рыцарскому кресту. 30 января 1943 года Гитлер повысил Паулюса до высшего военного звания — фельдмаршал. В радиограмме, отправленной Гитлером Паулюсу, кроме всего прочего говорилось, что «ещё ни один немецкий фельдмаршал не попадал в плен». Это было завуалированным намёком Паулюсу совершить самоубийство. Паулюс на это не пошёл. Утром 31 января 1943 года он, через офицеров штаба, передал советским войскам просьбу о приёме сдачи. После дополнительных переговоров с прибывшими начальником штаба 64-й армии генерал-майором И. А. Ласкиным и двумя офицерами Ф. Паулюс к 12 часам 31 января 1943 года был доставлен в Бекетовку, где его встретил командующий 64-й армией генерал М. С. Шумилов.
Вскоре Паулюс был представлен командующему фронтом К. К. Рокоссовскому, который предложил ему издать приказ о капитуляции остатков 6-й армии, чтобы прекратить бессмысленную смерть её солдат и офицеров. Генерал-фельдмаршал отказался пойти на это, поскольку он теперь пленный, а его генералы отныне сами отвечают за свои войска. 2 февраля 1943 года последние очаги сопротивления немецких войск в Сталинграде были подавлены.
Вынужденное реагировать на советское официальное сообщение о взятии в плен около 91 тысячи солдат и офицеров, нацистское правительство скрепя сердце сообщило немецкому народу о том, что 6-я армия полностью погибла. В течение трёх дней все немецкие радиостанции передавали похоронную музыку, в тысячах домов Третьего рейха воцарился траур. Рестораны, театры, кинотеатры, все увеселительные заведения были закрыты, и население рейха переживало поражение под Сталинградом.
В феврале Ф. Паулюса и его генералов привезли в Красногорский оперативный пересыльный лагерь № 27 НКВД в Московской области, где им предстояло провести несколько месяцев. Пленные офицеры по-прежнему воспринимали Ф. Паулюса как своего командующего. Если первые дни после капитуляции фельдмаршал выглядел подавленным и больше молчал, то здесь он вскоре заявил: «Я являюсь и останусь национал-социалистом. От меня никто не может ожидать, что я изменю свои взгляды, даже если мне будет грозить опасность провести в плену остаток моей жизни». Ф. Паулюс ещё верил в мощь Германии и что «она будет с успехом сражаться». И втайне надеялся, что его либо освободят, либо обменяют на какого-нибудь советского полководца (о предложении А. Гитлера обменять Ф. Паулюса на сына И. В. Сталина, Якова Джугашвили, фельдмаршал узнал лишь после войны).
В июле 1943 года в красногорском лагере был создан Национальный комитет «Свободная Германия». В его состав вошли 38 немцев, 13 из которых были эмигранты (Вальтер Ульбрихт, Вильгельм Пик и др.). Вскоре Главное политуправление Красной Армии и Управление по делам военнопленных и интернированных (УПВИ) НКВД рапортовали о своём новом успехе: в сентябре того же года проходит учредительный съезд новой антифашистской организации «Союз немецких офицеров». В нем приняли участие более ста человек, избравших президентом СНО генерала В. фон Зейдлица.
Для Паулюса и его соратников, которые были ещё весной переведены в генеральский лагерь в Спасо-Евфимиевом монастыре под Суздалем, это было предательством. Семнадцать генералов во главе с фельдмаршалом подписывают коллективное заявление: «То, что делают офицеры и генералы, ставшие членами „Союза“, является государственной изменой. Мы их больше не считаем нашими товарищами, и мы решительно отказываемся от них». Но через месяц Паулюс неожиданно отзывает свою подпись из генеральского «протеста». Вскоре его переводят в селение Чернцы в 28 км от Иванова. Высшие чины НКВД опасались, что из Суздаля фельдмаршала могут похитить, поэтому отправили его в глушь лесов. Помимо него в бывший санаторий имени Войкова прибыло 22 немецких, 6 румынских и 3 итальянских генерала.
В бывшем санатории у Паулюса стало прогрессировать заболевание кишечника, по поводу которого он был неоднократно оперирован. Однако, несмотря ни на что, он отказывался от индивидуального диетического питания, а только попросил доставить ему травы майоран и эстрагон, которые он всегда возил с собой, но чемодан с ними потерял в боях. Ко всему прочему он, как и все пленники «санатория», получал мясо, масло, все необходимые продукты, посылки от родных из Германии, пиво по праздникам. Пленники занимались творчеством. Для этого им были предоставлены все возможности: дерева вокруг было предостаточно, так что многие занимались резьбой по дереву (даже вырезали для фельдмаршала жезл из липы), холсты и краски были в любом количестве, сам Паулюс занимался этим, писали мемуары.
Тем не менее, он по-прежнему не признавал «Союз немецких офицеров», не соглашался на сотрудничество с советскими органами, не выступал против А. Гитлера. Летом 1944 года фельдмаршала переводят на спецобъект в Озерах. Почти каждый день из УПВИ пишутся на имя Л. П. Берии отчёты о ходе обработки Сатрапа (такая кличка была присвоена ему в НКВД). Паулюсу вручают обращение 16 генералов. Интеллигентный, нерешительный Паулюс колебался. Как бывший штабист он, видимо, привык просчитывать все «за» и «против». Но целый ряд событий «помогает» ему в этом: открытие Второго фронта, поражение на Курской дуге и в Африке, потеря союзников, тотальная мобилизация в Германии, вступление в «Союз» 16 новых генералов и лучшего друга, полковника В. Адама, а также смерть в Италии в апреле 1944 года его сына Фридриха. И, наконец, покушение на А. Гитлера офицеров, которых он хорошо знал. Его потрясла казнь заговорщиков, среди которых был и его друг генерал-фельдмаршал Э. фон Вицлебен. Свою роль сыграло, видимо, и письмо его жены, доставленное из Берлина советской разведкой.
8 августа Паулюс совершил наконец то, чего от него добивались полтора года, — подписал обращение «К военнопленным немецким солдатам и офицерам и к немецкому народу», в котором говорилось буквально следующее: «Считаю своим долгом заявить, что Германия должна устранить Адольфа Гитлера и установить новое государственное руководство, которое закончит войну и создаст условия, обеспечивающие нашему народу дальнейшее существование и восстановление мирных и дружественных отношений с нынешним противником». Через четыре дня он вступил в «Союз немецких офицеров». Потом — в Национальный комитет «Свободная Германия». С этого момента он становится одним из самых активных пропагандистов в борьбе с фашизмом. Регулярно выступает по радио, ставит свои подписи на листовках, призывая солдат Вермахта переходить на сторону русских. Отныне для Паулюса обратного пути не было.
Это сказалось и на членах его семьи. Гестапо арестовало его сына, капитана вермахта. Отправляют в ссылку его жену, отказавшуюся отречься от пленного мужа, дочь, невестку, внука. До февраля 1945 года они содержались под домашним арестом в горном курортном местечке Ширлихмюлле в Верхней Силезии, вместе с семьями некоторых других пленных генералов, в частности фон Зейдлица и фон Ленски. Сын находился под арестом в крепости Кюстрина. Дочь и сноха Паулюса написали прошения об освобождении, в связи с имеющимися малолетними детьми, однако это сыграло противоположную ожиданиям роль — напомнив о себе Главному Управлению РСХА, они при подходе Красной Армии к Силезии были переведены сначала в Тюрингию, в Бухенвальд, а чуть позднее в Баварию, в Дахау. В апреле 1945 года они были освобождены из концлагеря в Дахау. Но фельдмаршал так и не увиделся со своей женой. 10 ноября 1949 года она скончалась в Баден-Бадене, в американской зоне оккупации. Паулюс узнал об этом только через месяц.
Фридрих Паулюс выступал в качестве свидетеля на Нюрнбергском процессе.
После войны «сталинградских» генералов всё ещё держали в плену. Многие из них затем были осуждены в СССР, но все 23, кроме одного умершего, позднее вернулись домой (из солдат — около 6 тысяч). Правда, Ф. Паулюс на родине побывал уже в феврале 1946 года как участник Нюрнбергского процесса. Его появление там и выступление на суде в качестве свидетеля стало неожиданностью даже для самых близких к Ф. Паулюсу офицеров. Не говоря уже о сидевших на скамье подсудимых В. Кейтеле, А. Йодле и Г. Геринге, которого пришлось успокаивать. Кое-кто и из пленных генералов обвинил своего коллегу в низости и коллаборационизме.
После Нюрнберга фельдмаршал полтора месяца находился в Тюрингии, где встречался и со своими родственниками. В конце марта его снова привозят в Москву, и вскоре «личного пленника» И. В. Сталина (он не разрешил отдать Ф. Паулюса под суд) поселяют на даче в Томилино. Там он вполне серьёзно изучал труды классиков марксизма-ленинизма, читал партийную литературу, готовился к выступлениям перед советскими генералами. У него были свой врач, повар и адъютант. Ф. Паулюсу регулярно доставляли письма и посылки от родных. Когда он заболел, возили на лечение в Ялту. Но все его просьбы о возвращении домой, о посещении могилы жены наталкивались на стену вежливого отказа.
Однажды утром в 1951 году Ф. Паулюса нашли без сознания, но успели спасти. Он же потом впал в сильную депрессию, ни с кем не разговаривал, отказался покидать постель и принимать пищу. Видимо, опасаясь, что знаменитый пленник может умереть в его «золотой» клетке, И. В. Сталин решает освободить фельдмаршала. Правда, не назвав конкретной даты его репатриации. Ведь для этого гуманного акта нужно выбрать подходящий момент, чтобы иметь в итоге неплохой политический капитал. В общем, приходилось снова ждать, пока «хозяин» сам не умер, а в Кремле не решился спор о его наследнике.
24 октября 1953 года Ф. Паулюс в сопровождении ординарца Э. Шульте и личного повара Л. Георга уехал в Берлин. За месяц до этого он встречался с руководителем ГДР В. Ульбрихтом и заверил того, что будет жить исключительно в Восточной Германии. В день отъезда «Правда» опубликовала заявление Ф. Паулюса, где говорилось, исходя из ужасного опыта войны против СССР, о необходимости мирного сосуществования государств с различным строем, о будущей единой Германии. И ещё о его признании, что он в слепом подчинении прибыл в Советский Союз как враг, но покидает эту страну как друг.
В ГДР Паулюсу были предоставлены охраняемая вилла в элитном районе Дрездена, машина, адъютант и право иметь личное оружие. В качестве начальника создаваемого военно-исторического центра он начинает в 1954 году преподавательскую деятельность. Читает лекции о военном искусстве в высшей школе казарменной народной полиции (предтеча армии ГДР), выступает с докладами о Сталинградской битве.
Все годы после освобождения Паулюс не прекращал доказывать свою лояльность к социалистическому строю. Руководители ГДР хвалили его патриотизм и не возражали, если свои письма к ним он подписывал как «генерал-фельдмаршал бывшей германской армии». Паулюс выступал с осуждением «западногерманского милитаризма», критиковал политику Бонна, не хотевшего нейтралитета Германии. На встречах бывших участников Второй мировой войны в Восточном Берлине в 1955 году он напоминал ветеранам об их высокой ответственности за демократическую Германию.
Скончался Ф. Паулюс 1 февраля 1957 года, как раз накануне 14-й годовщины гибели его армии под Сталинградом. Главной причиной смерти, по одним данным, являлся латеральный склероз головного мозга — заболевание, при котором сохраняется ясность мышления, но наступает паралич мышц, а по другим — злокачественная опухоль.
На скромной траурной церемонии в Дрездене присутствовали несколько высоких партийных функционеров и генералов ГДР. Через пять дней урна с прахом Паулюса была погребена возле могилы его жены в Баден-Бадене.
В 1960 году во Франкфурте-на-Майне появились воспоминания Паулюса под названием «Я стою здесь по приказу». В них он утверждал, что был солдатом и подчинялся приказам, считая, что тем самым он служит своему народу. Выпустивший их сын Паулюса, Александер, застрелился в 1970 году, так и не одобрив переход отца к коммунистам. Его жизнь спас отец, отправив на самолёте из «котла» на «большую землю» за несколько дней до пленения 6-й армии.(Это легенда. На самом деле, капитан Эрнст Александер Паулюс с сентября 1942 года находился в Берлине, по причине тяжёлого ранения, после чего был комиссован. См. «Фельдмаршал Паулюс: от Гитлера к Сталину», Владимир Марковчин).