Профессор Коллеж де Франс (с 1911); главный редактор синологического журнала «T'oung Pao» (с 1920); член Академии надписей и изящной словесности (1921), иностранный член-корреспондент АН СССР (1922); президент Азиатского общества (Societ? Asiatique; с 1935). Во время оккупации Франции немецкими войсками (1940—44) участвовал в Движении Сопротивления.
В 1905 г. Поль Пеллио был назначен руководителем французской экспедиции в Восточный Туркестан; он отвечал за исторические, археологические и лингвистические исследования. Топографические, астрономические и естественнонаучные наблюдения возлагались на военного врача Луи Вайана (Louis Vaillant); их спутником был фотограф Шарль Нуэтт (Charles Nouette, 1869—1910). Покинув Париж 15 июня 1906 г., путешественники через десять дней прибыли по железной дороге в Ташкент, а оттуда, другим поездом, — в Андижан. Подготовка к дальнейшему пути затянулась до 11 августа, когда французы выступили в сопровождении двух казаков и каравана из тридцати лошадей.
В Кашгар экспедиция прибыла через два месяца после того, как там побывал венгерский путешественник Стейн. За шесть недель исследований в трёх пещерах и городище Тегурман была собрана коллекция рукописей. 18 октября Пеллио и его спутники двинулись на восток от Кашгара и через две недели достигли расположенного в 300 км монастырского комплекса Тумшук, где ранее вёл раскопки швед Свен Гедин. Здесь Пеллио удалось обнаружить неизвестный ранее храм.
15 декабря французы выехали в Кучу, куда прибыли 2 января 1907 г. Пеллио не стал останавливаться у буддийских храмов, где ранее работали японские (Первая экспедиция Отани), немецкие и русские исследователи; он занялся раскопками остатков библиотеки в Дулгур-агуре, к югу от Кучи (16 марта — 22 мая). Ему удалось обнаружить 200 фрагментов китайских рукописей и рукописи на брахми. В районе Субаши, северо-восточнее Кучи, с 10 июня по 24 июля было обнаружено множество рукописных фрагментов, в том числе деревянные дощечки с надписями на санскрите и мёртвом кучинском языке («западно-тохарском»).
Экспедиция покинула Дуньхуан 7 июня и 28 сентября прибыла в Сиань. Месяц собранные материалы упаковывались и готовились к дальнейшему пути. Затем спутники через Чжэнчжоу отправились в Пекин, откуда Нуэтт и Вайан вместе с упакованными в ящики находками отплыли в Париж. Пеллио остался в Пекине, где передал китайским коллегам часть рукописей, а также закупил около 30 тысяч книг, составивших позднее основу библиотеки для изучения Центральной Азии.
Рукописи и книги, привезённые экспедицией, были переданы в Национальную библиотеку Франции; статуи, живопись, иконы и знамёна — в Лувр, откуда в 1945—1946 гг. они были перемещены в Музей Гиме. Около 800 образцов растений, 200 птиц, млекопитающих, насекомых, образцы минералов пополнили коллекции Музея естественной истории.