Юдель Моисеевич Пэн родился 24 мая (5 июня) 1854 года в городе Новоалександровск (ныне Зарасай, Литва).
Рано осиротев, с 1867 года работал подмастерьем маляра в Двинске (ныне Даугавпилс, Латвия). В 1879 году переехал в Петербург, где 1880 году поступил в Академию художеств. Учился у П. П. Чистякова и Н. А. Лаверецкого. По окончании Академии (1886) жил в Двинске и Риге, где познакомился с бароном Н. А. Корфом, который приглашает живописца в свое витебское имение, где бывают друзья барона — И. Репин, Ю. Клевер и другие.
В 1891 году поселился в Витебске и спустя год открыл там частную Школу рисования и живописи, существовавшую до 1919 года — первое в России еврейское художественное училище, которое было преобразовано Марком Шагалом в Витебское художественное училище, существовавшее до 1941 года. Учениками Юделя Пэна были Реймонд Брайнин, Лазарь Лисицкий, Илья Мазель, Оскар Мещанинов, Ахола-Вало, Ефим Минин, Осип Цадкин, Марк Шагал, Елена Кабищер, Заир Азгур, Соломон Юдовин, Давид Якерсон. В 1907 и 1914 годах проходили выставки Пэна и его учеников.
В своих картинах Юдель Пэн показал жизнь еврейской бедноты («Часовщик», «Старый портной», «Старый солдат», «После забастовки»). После 1905 году в творчестве Пэна появляются религиозные мотивы — «Еврейский раввин», «Последняя суббота». В 1920-х годах создает картины «Сапожник-комсомолец» (1925), «Сват» (1926), «Швея» (1927), «Пекарь» (1928).
Художник был убит у себя дома в Витебске в ночь с 28 февраля на 1 марта 1937 года. Обстоятельства убийства не выяснены до сих пор. Похоронен на Старо-Семёновском кладбище в Витебске.
Улица в Витебске
Портрет М. Шагала (1914, подпись под картиной — Ю. М. Пэн)