Павел Брюлов — четвёртый ребёнок в семье профессора архитектуры Императорской Академии художеств Александра Павловича Брюллова и баронессы Александры Александровны фон Раль.
Закончил физико-математический факультет Императорского Санкт-Петербургского университета. В 1863 году получил звание кандидата физико-математических наук.
C 1861 года по 1864 год Брюллов посещает классы архитектурного отделения Императорской Академии художеств К. А. Тона, А. И. Штакеншнейдера, А. П. Брюллова, Д. И. Гримма и А. И. Резанова в качестве своекоштного.
Во время учёбы в Академии награждён двумя малыми и тремя большими серебряными медалями «За успех в рисовании». В 1864 году Брюллов выпускается из Академии с присвоением звания классного художника 3-й степени по архитектуре.
По окончании Академии уезжает за границу. Жил в Италии, Франции, Англии. В Париже посещает класс французского живописца Леона Бонна в Национальной высшей школе изящных искусств.
В 1870 за картину «После работы», выставленную на Академической выставке награжден большой поощрительной медалью Императорской Академии художеств.
С 1872 по 1914 год экспонент Товарищества передвижных художественных выставок. C 1874 года член Товарищества, впоследствии избран казначеем и членом Правления Товарищества.
В 1983 году получил звание действительного члена Императорской Академии художеств, с 1904 года — член Совета Академи. С 1897 по 1912 год хранитель художественного отдела Русского Музея Императора Александра III.
«Весна», (1875), холст, масло — Государственная Третьяковская галерея
«Веранда. Алжир.», (1882), доска, масло — Государственная Третьяковская галерея
«Дорога к морю. Алжир.», (1883), холст, масло — Государственная Третьяковская галерея
«Купальня», (1902), картон, масло — частное собрание
«Лес», (ранее 1914), картон, масло — частное собрание