Родился 16 января 1908 года в Иркутске в семье ссыльного поселенца. Служил в уголовном розыске советской милиции в г. Тулун Иркутской области. С 1927 работал журналистом, сначала в Сибири, потом в Поволжье, на Украине, и наконец в Москве. Первые рассказы напечатаны в 1937 в журнале «Новый мир». Роман о шахтёрах Донбасса «Человек идёт в гору» Нилин в 1939 переработал в сценарий фильма «Большая жизнь», за который получил Сталинскую премию. Тем не менее 2-я серия фильма, снятая после войны, была запрещена к показу и вышла на экраны только в 1958 в переработанном виде.
Некоторые произведения написал совместно с Петром Сажиным. В связи с этим на него была сочинена эпиграмма:
В мозгу у Павла Нилина
Всего одна извилина —
И эта пересажена
Из жопы Пети Сажина.
Всеобщее признание пришло к Нилину главным образом благодаря повести «Жестокость» (1956), переработанной из рассказа 1946 года; речь в ней идёт о борьбе с преступностью в 1920-е годы.
Не внешний ход событий войны, а психологическое проникновение в противоречивую натуру человека и новое напоминание о беспристрастной справедливости, определяют звучание повести Нилина «Через кладбище» (1962)… Поздняя проза Нилина целиком посвящена проблематике человеческих отношений, в первую очередь — любви.
Член правления СП СССР с 1971.
Умер 2 октября 1981 года в Москве. Похоронен на Ваганьковском кладбище в Москве.
Повести
Рассказы
В 2008 году к 100-летию Павла Нилина в г. Тулуне по инициативе иркутского поэта Г. Гайды была установлена мемориальная доска.