Он же Павел Фёдорович, Павел-Симон и Симон Фридрихович Унтербергер.
Раннее детство Павел Унтербергер провёл в Симбирске. Его отец, сын каретных дел мастера из Риги, Фридрих Семёнович Унтербергер, был одним из зачинателей ветеринарного дела в России, за что получил дворянское звание.
В 1849 г. вместе с отцом Павел переехал в Дерпт, где его отец и дядя получили места профессоров Дерптского университета. Окончил классическую гимназию.
В 1860 г. поступил в Николаевское инженерное училище (ныне Военный инженерно-технический университет), которое окончил в 1862 году подпоручиком. В 1868 г. закончил Николаевскую инженерную академию по первому разряду в звании штабс-капитана. По окончании академии направлен в командировку в Европу, затем оставлен при академии для преподавательской и научной работы.
В 1870—1871 годах П. Ф. Унтербергер в звании капитана был откомандирован в Туркестан для участия в военной кампании. После командировки утратил интерес к академической карьере и отправился служить в Восточной Сибири.
В 1875—1877 годах в звании подполковника служил в Иркутске в должности штабс-офицера для особых поручений при окружном инженерном управлении Восточно-Сибирского военного округа. Занимался строительными работами в малоосвоенных местностях Дальнего Востока. Вёл большую исследовательскую работу, изучая военную географию территорий, входящих в Восточно-Сибирское губернаторство. Во время восстания в Монголии откомандирован в Ургу для постройки оборонительных сооружений в русском посольстве. Потом, преодолевая трудности, проследовал с исследовательскими целями (как специалист по военной географии) через Монголию и пустыню Гоби, посетил Пекин, Тяньцзинь, Шанхай, Гонконг, Японию.
Одной из целей путешествия был найм 134 рабочих в Китае для строительства в районе поста Хабаровка. По условиям контракта рабочие нанимались на 2 года.
В 1877—1878 гг. — в должности председателя Иркутской временной военно-тюремной комиссии. В апреле 1878 года произведён в полковники и назначен заведующим инженерной частью Восточно-Сибирского военного округа. Занимается фортификацией Николаевска и в особенности Владивостока, где инициирует значительный по масштабу план строительства Владивостокской крепости. В 1879 г. он вновь посетил Владивосток и завершил разработку плана размещения вокруг него оборонительных сооружений и составление их проектов.
1 октября 1888 года П. Ф. Унтербергер назначен военным губернатором Приморской области и наказным атаманом Уссурийского казачьего войска. 30 августа 1889 года на укреплениях Владивостока, подняли крепостной флаг в связи с получением статуса крепости 2-го разряда. Роль Владивостока возросла, и в августе 1890 года местопребывание военного губернатора Приморской области и областного управления переносится из Хабаровска во Владивосток. В 1896 году он получил чин генерал-лейтенанта.
П. Ф. Унтербергер провёл в должности военного губернатора Приморской области почти 9 лет. За это время при его участии или с его ведома были построены Уссурийская железная дорога, порт, плавучий и береговой доки, множество жилых и служебных зданий, введены в строй медицинские и учебные заведения, получила развитие торговля, установлены рейсы судов по приморскому побережью, открыты мореходные классы, обнаружены большие запасы угля в Сучане (Партизанске) и начата его добыча, основано множество населенных пунктов по территории Приморья.
В 1897 П. Ф. Унтербергер назначен нижегородским губернатором. Когда в мае 1897 года П. Ф. Унтербергер сдавал свои дела военного губернатора Приморской области генералу Д. И. Субботичу, городская дума, отмечая заслуги перед городом, избрала его почетным гражданином Владивостока.
В Нижнем Новгороде П. Ф. Унтербергер производит впечатление на нижегородцев гражданским строительством и общественной деятельностью: строит каменные причалы, обустраивает места швартовки судов. Он выступил инициатором выкупа болдинского имения А. С. Пушкина с целью создания государственного мемориального музея. Он же инициировал создание Нижегородского общества любителей художеств. Состоял членом 29 благотворительных обществ, в которые регулярно платил немалые взносы.
В его губернаторство произошла демонстрация в Сормове, был арестован Пётр Заломов. Суровость мер против революционеров активизировала усилия эсеров, которые во главе с Борисом Савинковым готовили покушение на нижегородского губернатора.
В должности Нижегородского губернатора П. Ф. Унтербергер пробыл до начала ноября 1905 года. За несколько дней до окончания губернаторства он был произведен в сенаторы.
8 ноября 1905 года генерал-лейтенант П. Ф. Унтербергер был назначен командующим войсками Приамурского военного округа и войсковым наказным атаманом приамурских казачьих войск, а через 10 дней — приамурским генерал-губернатором. В качестве генерал-губернатора он приложил усилия для развития и заселения региона. При его участии были введены в строй новые учебные и медицинские учреждения, в том числе сельские, начата разработка полиметаллических руд в Тетюхе (Дальнегорск), введен рыбнадзор, выделены из состава и областного управления Приморской области Камчатка и Командорские острова, основаны новые селения. Он содействовал деятельности В. К. Арсеньева.
Во внешнеполитических вопросах придерживался консервативных позиций, крайне настороженно относился к Японии, несмотря на российско-японское сближение после русско-японской войны и подписание целого ряда двусторонних соглашений общеполитического и экономического характера. Известен как систематический противник миграции корейцев на российский Дальний Восток.
П. Ф. Унтербергер завершил повторную службу на Дальнем Востоке в 6 декабря 1910 года в возрасте 68 лет. Он сдал дела шталмейстеру Н. Л. Гондатти и убыл в Петербург, где был назначен 6 декабря 1910 членом Государственного совета.
В 1912 году П. Ф. Унтербергер издал труд «Приамурский край. 1906—1910 гг.» на основе материалов, собранных во время службы.
После революции П. Ф. Унтербергер уехал в Германию к дочери, где скончался в возрасте 78 лет в замке её супруга. Сын — Пётр Павлович (1881—1960) — русский генерал
П. Ф. Унтербергер — кавалер многих орденов, в том числе Св. Станислава I степени, Св. Анны I степени, Св. Владимира II степени, Белого Орла, Св. Александра Невского и бриллиантового знака к нему.
16 апреля 1898 удостоен звания Почетного гражданина города Владивостока.
В 1902 году годичное собрание Географического общества присудило золотую медаль П. Унтербергеру за его труд «Приморская область с 1859 по 1898 год».