Родился в 1897 году в Турку (до 1918 - Або), портовом городе на юго-западе Финляндии. Он был вторым ребенком в бедной семье мелкого фермера и позднее столяра Йохана Фредерика и Матильды Вильгельмины Нурми. Дисциплину Нурми проявил еще ребенком, наблюдая за подготовкой членов местного легкотлетического клуба. В возрасте девяти лет, на местной ярмарке, Нурми выиграл гонку между одноклассниками на 1500 метров. Через год, когда он показывает 5 мин 43 сек, многие наблюдатели уже отмечают его волю и выносливость. В 1910 году юный Пааво вынужден приостановить свою страсть к спорту из-за преждевременной смерти отца в возрасте 49 лет. 13-летний чемпион школы, старший в семье, он бросил школу и стал работником прядильной фабрики. Нурми изначально не знал о своих способностях.
Успех Ханнеса Колехмайнена на летних Олимпийских играх 1912 в Стокгольме был источником вдохновения для целого поколения молодых финских спортсменов. Юный Нурми 31 мая 1914 г. в возрасте шестнадцати лет участвовал в своём первом официальном матче в Турку. Забег юниоров на 3000 метров он выиграл с результатом 10.06,9.
Вдохновленный успехами своего старшего брата, Пааво Нурми решает возобновить тренировки. Лицензиат Turun Urheiluliitto, легкоатлетического клуба в Турку, которому он оставался верен всю свою карьеру, он решил начать строгую и интенсивную подготовку, основанную на трехразовых тренировках, а также приндерживаться строгой вегетарианской диеты. В 1919 году, на армейских соревнованиях он выиграл забег на 15 км за 59.24 с отрывом в полчаса от своих конкурентов. Получив специальное разрешение от своего начальства, Нурми теперь тренируется на досуге в своем полку. Ему удалось постепенно приблизиться к национальным рекордам на 5000 м - 15.31 и 32.56 на 10 000 м. В 1920 году, после службы в армии, финн вступил в промышленное училище в Хельсинки. Он проучился три года и получил диплом инженера в области математики. Незадолго до Олимпиады в Антверпене, он поставил свой первый рекорд Финляндии (8.36,2 на 3 000 м).
В течение 1921—1924 годов Нурми превысил 24 мировых рекорда на дистанциях от 1500 м до 20 км.
Когда начался стартовый отсчёт перед играми 1924 года, Нурми перешёл к интенсивным тренировкам. Помимо длинной прогулки и утренних упражнений, по утрам он несколько раз пробегал от 80 до 400 м. Потом он преодолевал милю, всегда выходя из пяти минут. И только после этого завтракал.
В забеге на дистанции 1500 м Нурми пробежал начальные 500 м быстрее, чем пробежит их Джим Райан в 1967 году. Затем Нурми в спринтовом темпе обеспечил себе отрыв в сорок метров, а после сохранил его и финишировал на полуторакилометровке с олимпийским рекордом 3:53,6.
Вскоре Нурми занял своё место на старте забега на 5 000 м рядом со своим соотечественником Вилле Ритолой, одержавшим победу в беге на 10 000 м четырьмя днями раньше. Нурми, задетый тем, что финское спортивное руководство поставило в беге на 10 000 м не его, а Ритолу, решил «бежать за себя, а не за Финляндию» и доказать всему миру, что является лучшим стайером Олимпиады. Соперники с самого старта задали невероятную скорость. Однако Нурми, бежавший ровным и механическим шагом, выдержал темп, возглавив забег с половины дистанции. На последних восьми кругах он держался в нескольких ярдах впереди остальных. Наконец, Нурми, в последний раз сверившись с секундомером и бросив его на траву, помчался к финишной ленточке, на которую накатил с олимпийским рекордом 14:31,2.
После этого Пааво выиграл ещё три золотые медали на Играх 1924 года — личный кросс, командный кросс и командный бег на 3 000 м.
Американцы влюбились в человека, у которог был "низкий пульс, но высокий уровень", и дали ему прозвище Фантом. Тур был экономические выгоден не только для Нурми, но также и для его родной страны, потому что общий вид того, как работает Нурми, убедил власти США предоставить Финляндии кредит в 400 миллионов DM.
Вернувшись в Европу, Пааво Нурми участвует в различных соревнованиях, но его господство на олимпийских дистанциях исчезает. Несмотря на свои успехи в забегах на 1 500, 5 000 и 10 000 метров, он не сможет улучшить свой собственный мировой рекорд и его победы становятся менее убедительными.
На Олимпиаде 1928 года в Амстердаме Нурми завоевал ещё одну золотую медаль и две серебряные, выиграв дистанцию 10 000 м.
В 1929 году, после нового коммерческого турне в США, он устанавливает в Лондоне новый мировой рекорд, пробежав 20 км за 1 ч 04 мин 38 сек. Вернув себе форму, он снова утверждает, что желает сосредоточить внимание на подготовке к марафону на Олимпийских играх 1932, дисциплине, которую выиграл в 1920 году кумир его детства, Ханнес Колехмайнен.
В 1932 году решением Международного олимпийского комитета Пааво Нурми был отстранён от участия в Олимпийских играх, проходивших в Лос-Анджелесе, так как был доказан факт зарабатывания им денег с помощью бега и он был признан профессионалом.
Хотя на домашних соревнованиях ему вернули любительский статус, на международные турниры доступ был закрыт. До конца жизни он чувствовал горечь от такого решения. Чемпион Финляндии на 1 500 м в 1933 году, он закончил свою спортивную карьеру 16 сентября 1934, выиграв 10 000 метров (31.39,2) в Выборге. Однако он вернулся на олимпийскую арену в 1952 году, на Олимпиаде в Хельсинки, где ему поручили нести олимпийский факел.
Несравнимый «летучий финн» установил 22 официальных и 13 неофициальных рекордов мира. Только в конце ХХ века, прыгун с шестом Сергей Бубка, установив 35 мировых рекордов (17 рекордов для открытых стадионов и 18 в залах), превзошёл этот рекорд.
Нурми завоевал больше всего олимпийских медалей по легкой атлетике, 12. Как и Лариса Латынина, Марк Спитц и Карл Льюис, с девятью золотыми олимпийскими медалями (пять в Париже), он уступает только Майклу Фелпсу с его четырнадцатью. В связи с этим, он часто считается величайшим легкоатлетом всех времен.
Нурми недолго (1932-35) был женат на Сильвии Лааксонен. Их сын Матти (р. 1932) в 1950-х годах был бегуном на средние дистанции национального уровня.
На родине спортсмена ему прижизненно был установлен памятник. Пааво Нурми часто приводится как пример честного спортсмена, никогда не употреблявшего допинг.
Нурми перенес инфаркт миокарда в конце 1950-х, однако, он продолжает свое дело до нового приступа в 1967 году, после которого он был парализован на одну сторону. В это время он назвал спорт пустой тратой времени, в сравнении с наукой и искусством. Перенеся приступ, он решил финансировать научно-исследовательский центр сердечно-сосудистых заболеваний. Пааво Нурми умер 2 октября 1973 в Хельсинки, абсолютно слепой и почти немой, после долгой болезни.