Павел Лунгин родился в Москве 12 июля 1949 года. Его отец, Семен Лунгин, был известным кинодраматургом и сценаристом, а мать, Лилианна Лунгина, переводчицей (впервые перевела на русский язык книги шведской писательницы Астрид Линдгрен о Малыше и Карлсоне). У Павла есть младший брат Евгений.

После окончания школы Павел поступил в МГУ на факультет математической и прикладной лингвистики, который окончил в 1971 году и продолжил обучение на режиссерском отделении Высших курсов сценаристов и режиссеров. К моменту их окончания в 1980 году, Лунгин успел стать соавтором сценария к фильмам «Все дело в брате» (1976) и «Конец императора тайги» (1978), а в следующие 10 лет сделался довольно известным и авторитетным сценаристом.

В начале 90-х Лунгин неожиданно уехал во Францию, но вскоре вернулся оттуда с готовым сценарием, по которому решил сам поставить свой первый фильм в качестве режиссера. В его дебютной драме «Такси блюз» (1990) главную роль исполнил рок-музыкант Петр Мамонов, открытый Лунгиным как талантливый актер. На волне интереса к российскому кино новой волны фильм имел необыкновенный успех. На Каннском фестивале 1990 года Лунгин получил приз как лучший режиссер.

В первой половине 90-х Лунгин окончательно перебрался во Францию, где проживает и сегодня. В этот период, несмотря на то, что его картины снимались в России, режиссер был более известен в Европе. Его второй фильм – социальная драма «Луна-парк» (1992) — номинировался в Каннах на Золотую пальмовую ветвь.

Популярность на Родине Лунгин обрел только на рубеже веков, с выходом колоритной комедии «Свадьба» (2000), где главные роли сыграли восходящие звезды Марат Башаров, Мария Миронова и Андрей Панин. Фильм вновь номинировался на Золотую пальмовую ветвь Каннского кинофестиваля и получил специальный приз «за лучший подбор актёров». После этого Лунгин снял нашумевшую гангстерскую сагу «Олигарх» (2002) с Владимиром Машковым в главной роли и очередную «национальную» комедию «Бедные родственники» (2005) с Константином Хабенским и Сергеем Гармашем.

Самой глубокой и, по мнению многих критиков, лучшей на сегодняшний день режиссерской работой Павла Лунгина стала религиозная психологическая драма «Остров» (2006), главную роль в которой исполнил его давний соратник Петр Мамонов. Эта картина получила по шесть премий «Золотой орел» и «Ника» в ключевых номинациях и была названа лучшим фильмом.

В 2008 году Павел Лунгин удостоился звания Народного артиста России и после практически незамеченной музыкальной драмы «Ветка сирени» (2007) впервые решил снять фильм на исторический сюжет. В драме «Царь» (2009) о времени правления Ивана Грозного последнюю роль сыграл Олег Янковский, а главная вновь досталась Петру Мамонову. В 2009-м Павел Лунгин возглавлял жюри основного конкурса Московского международного кинофестиваля.