Павел Житецкий родился 12 декабря 1836 года в городе Кременчуг Полтавской губернии, в семье священника.
Учился в Киевской духовной академии и на историко-филологическом факультете Киевского университета, который окончил в 1864 году. Он был учителем русского языка и словесности в Каменец-Подольской мужской гимназии с 1865 по 1868 год, и в Киевской военной гимназии. В 1870-е годы Житецкий был активным участником украинского движения, входил в киевскую «Громаду», переписывался с Драгомановым.
Житецкий отстаивал точку зрения о том, что Киевская Русь — колыбель малорусской народности, и что на её территории, не прерываясь, шло развитие малорусского наречия. По его мнению, основные черты малорусского вокализма обнаружились уже в XII-XIII веках.
Изучение языка Житецкий вёл параллельно с изучением политической и бытовой истории народа, поскольку считал, что «в жизни языка отражаются бытовые настроения народного духа, народных понятий, верований и идеалов». Несмотря на то, что Житецкий был украинофилом и внёс большой вклад в развитие украинской литературы и языкознания, он не считал украинцев отдельной национальностью, и рассматривал малорусское наречие как самобытную часть общерусского языка, наравне с великорусским наречием (язык белорусов же он считал одним из великорусских говоров).
Похоронен П. И. Житецкий на Байковом кладбище в Киеве, на его могиле установлен массивный гранитный памятник с крестом, сохранившийся даже в советские годы.
Выдающемуся ученому посвящена одна из витрин Музея Одной Улицы. В музее представлены оригинальные портреты и работы ученого, а также весь круг Старой киевской громады - труды, фотографии и автографы известных украинских деятелей.