В 1879 году окончил естественное отделение физико-математического факультета Московского университета. По окончании университета до 1881 года работал преподавателем химии и естествознания в Тверском реальном училище. С 1881 года — хранитель Геологического и Минералогического кабинетов Московского университета. В 1884 году защитил магистерскую диссертацию на тему «Нижневолжская юра». В 1886 году защитил докторскую диссертацию на тему «Аммониты зоны Aspidoceras acanthicum». Профессор Московского университета с 1886 года. С 1916 года — действительный член Петербургской академии наук (с 1917 года — РАН, с 1925 года — АН СССР).
С 1916 года — вице-президент Московского общества испытателей природы. Член ряда русских и иностранных научных обществ, в том числе Лондонского геологического общества и Французского геологического общества, которое удостоило его Золотой медали им. Годри (1926).
Жена — русский и советский палеонтолог, почётный член АН СССР Мария Васильевна Павлова.
Основные труды в области стратиграфии, палеонтологии, четвертичной геологии, тектоники, геоморфологии, инженерной геологии и истории геологических знаний. В частности, А. П. Павлов выполнил важные работы по стратиграфии верхнеюрских и нижнемеловых отложений Поволжья и средней части Европейской России, а также по стратиграфии верхнего мела и палеогена Нижнего Поволжья.
Палеонтологические исследования А. П. Павлова связаны с изучением мезозойских моллюсков, главным образом аммонитов и белемнитов. В монографиях об ауцеллах и ауцеллинах меловых отложений Европейской России (1907), а также о юрских белемнитах А. П. Павлов даёт примеры конкретной разработки генетической классификации. Впервые выдвинул представление о трёхкратном оледенении Восточноевропейской равнины и предложил первую схему её четвертичной истории. Выделил два новых типа континентальных отложений: делювий и пролювий. Автор геоморфологических работ, связанных с происхождением рельефа равнин.
Впервые установил наличие ряда дислокаций на территории Поволжья (широтную дислокацию по северной окраине Жигулей, Астраханско-Саратовскую и Доно-Медведицкую системы дислокаций). Выделил наиболее подвижные и склонные к опусканию участки древних платформ (синеклизы). На основе этих исследований пришёл к выводу о вероятном наличии нефтяных месторождений в районе Самарской Луки.
Павлову принадлежит ряд работ по оползням Поволжья, в которых он осветил условия образования и механизм оползневых смещений, разработал их классификацию и указал на важнейшие методы борьбы с ними.
Создал школу московских геологов; среди его учеников известные ученые: В. М. Цебриков, А. П. Иванов, А. В. Павлов, Н. Н. Боголюбов, А. А. Чернов, М. М. Василевский, М. М. Пригоровский, А. Д. Архангельский, Д. В. Соколов, Ф. В. Лунгерсгаузен, В. А. Варсанофьева, А. Н. Мазарович, О. К. Ланге, Е. В. Милановский, Г. Ф. Мирчинк, М. С. Швецов, А. Н. Семихатов, С. В. Обручев и многие другие.
По геологии и палеонтологии:
По истории науки:
Научно-популярные книги:
Также автор работ по вопросам преподавания естествознания в средней школе: