Некрасов родился в семье священника, рано осиротел. Среднее образование получил в Рязанской духовной семинарии. В 1874 году поступил на физико-математический факультет Московского университета, который окончил в 1878 году. В 1883 году защитил магистерскую диссертацию, которая была удостоена престижной премии имени В. Я. Буняковского. В 1886 году защитил докторскую диссертацию.
Экстраординарный (с 1886 года), затем (с 1890 года) — ординарный профессор. Преподавал в Московском университете, в Константиновском межевом институте, в Санкт-Петербургском университете. В 1893 году Некрасов был избран ректором Московского университета. С 1897 года — попечитель Московского учебного округа.
Павел Алексеевич был одним из активных членов, а затем и руководителей Московского математического общества. В 1891 году он стал вице-президентом Общества, а в 1903 году — его президентом и оставался на этом посту до своего переезда в 1905 году в Санкт-Петербург на службу в Министерстве народного просвещения.
После революции Некрасов вернулся на работу в Московский университет. Состоял первое время на должности приват-доцента, в 1919 году был избран профессором по кафедре чистой математики. С 1921 года состоял также на должности профессора Московского института гражданских инженеров.
Скончался в 1924 году. Похоронен в Москве, на Дорогомиловском кладбище В 1939 году Дорогомиловское кладбище было закрыто, в 1950 году Некрасов был перезахоронен на Востряковском кладбище (большая же часть захоронений Дорогомиловского кладбища была уничтожена, а территория застроена жилыми домами).
Павел Некрасов — один из наиболее ярких представителей Московской философско-математической школы. Это направление в философии возникло на базе Московского математического общества и связано в первую очередь с именем профессора математики Николая Васильевича Бугаева (1837—1903). Идеи Московской философско-математической школы были направлены на разрешение классических социологических антагонизмов «индивид — общество» и «свобода — необходимость» с помощью иных оснований, нежели в позитивистской и материалистической социологии, а именно с помощью аритмологии (теории прерывистых функций и множеств) и теории вероятностей, а также особой персоналистической социальной антропологии, в которой человек рассматривался (по Бугаеву) как живая духовная единица, «самостоятельный и самодеятельный индивидуум».
При советской власти эта философская школа в связи с так называемым «Делом Промпартии» (1930) и разгромом научной статистики (первая «волна» — после демографической катастрофы, вызванной голодом 1932—1933 годов, вторая «волна» — после «неправильной» переписи 1937 года) была объявлена реакционной. Вот что, к примеру, было написано в выпущенной в 1931 году брошюре «На борьбу за диалектическую математику»: «Эта школа Цингера, Бугаева, Некрасова поставила математику на службу реакционнейшего „научно-философского миросозерцания“, а именно: анализ с его непрерывными функциями как средство борьбы против революционных теорий; аритмологию, утверждающую торжество индивидуальности и кабалистики; теорию вероятностей как теорию беспричинных явлений и особенностей; а всё в целом в блестящем соответствии с принципами черносотенной философии Лопатина — православием, самодержавием и народностью». В опубликованной в 1938 году статье «Советская математика за 20 лет» говорилось об «отрицательном значении для развития науки реакционных философских и политических тенденций в московской математике (Бугаев, П. Некрасов и др.)». В последующие годы об идеях Московской философско-математической школы в советской литературе практически не упоминалось. Характерно, что в Большой советской энциклопедии статьи о Павле Алексеевиче Некрасове нет.
В конце XX века к идеям школы Н. В. Бугаева снова стал проявляться существенный интерес; связано это в том числе и с тем, что многие идеи этой школы, как теперь становится понятно, получили дальнейшнее развитие, а представители этой школы были одними из родоначальников системного подхода в естественных науках.
Одной из идей Некрасова стало построение модели человеческого общества, в которой сохраняется социальная антропология, допускающая творческую свободу воли, в то же время исследование математических закономерностей в массовых независимых случайных явлениях такого общества исследуется с применением теории вероятностей.
Ещё одной идеей Некрасова, позднее развитой другими философами, было его указание, с одной стороны, на важность математики в любых исследованиях («никакая закономерность не может быть определена без математического элемента»), но, одновременно, на недопустимость абсолютизации её роли математики. «Отводя важную роль математике, не следует, однако, умалять значение слова как средства выражать идеи и понятия, и опыта как средства ощущать, открывать и проверять связь вещей… — писал он в своей работе „Московская философско-математическая школа и её основатели“. — Чистое математическое познание нужно причислить к … весьма ценным, но односторонним простым элементам познания, требующим синтеза с прочими внутренними и внешними элементами познания».
В своей статье «Философия и логика науки о массовых проявлениях человеческой деятельности» Некрасов писал о необходимости существования такой системы социальных мер и учреждений, которая бы создавала «массовый положительно организованный антроподинамический поток жизнедеятельности» как «опору Суверенной Власти», при этом во главе этой системы, по его мысли, должны стоять «Государство, Церковь и Академия».