Сын Павла Николаевича Демидова и Авроры Карловны Шернваль. На втором году жизни лишился отца. Получил прекрасное домашнее образование. В 1856 году вступил в Санкт-Петербургский университет студентом юридического факультета, курс которого окончил в 1860 году со степенью кандидата. Поселившись в Париже, Павел Павлович продолжал здесь своё научное образование под руководством Лабуле, Франка и Бодрильяра.
Как владелец пермских нижнетагильских заводов, Павел Павлович, заботясь об улучшении изделий отечественной горной промышленности, завёл первую фабрику бессемерования стали, чем он поставил у себя выработку ее на прочном основании.
В 1867 году Павел Павлович женился на княжне Марии Элимовне Мещерской, которая через год скончалась в родах сына, Элима Павловича (1868—1943), впоследствии последнего посла Российской империи в Греции.
Переселившись после смерти жены в Вену, Павел Павлович вступил на службу по министерству иностранных дел и был причислен к Венскому посольству, но, пробыв здесь недолго, уже в 1869 году возвратился в Россию и поселился в Каменец-Подольске, где занял скромное место советника губернского правления. Вскоре, однако, он переселился в Киев и здесь был избран сперва почётный мировым судьёй, а потом, в 1870 году, киевским городским головой.
В 1871 году Павел Павлович вступил во второй брак с княжной Еленой Петровной Трубецкой. От этого брака родилось шестеро детей, в том числе дочь Аврора, ставшая матерью югославского принца-регента Павла Карагеоргиевича.
Пожалованный в 1871 году в звание егермейстера двора Его Императорского Величества, Павел Павлович был избран в 1874 году в должность киевского городского головы на новое трехлётие, отказался от этой должности по нездоровью и поселился сперва в Санкт-Петербурге, а потом в своей вилле Сан-Донато, которую продолжал обогащать произведениями искусства.
2 июня 1872 года император Александр II разрешил Демидову принять титул князя Сан-Донато, пожалованный ему итальянским королём Виктором Эммануилом, и два ордена - святых Маврикия и Лазаря и Короны Италии.
В начале восточной войны, Демидов вернулся в Киев и принял должность чрезвычайного уполномоченного от Общества Красного Креста.
Во Флоренции Демидов открыл школы, приюты, устраивал дешевые столовые для рабочих и другое. В 1879 году признательное население Флоренции поднесло Демидову золотую медаль, с изображением его и его супруги, и адрес, доставленный особой депутацией, в состав которой входили представители рабочих корпораций со значками. Муниципалитет по этому случаю избрал князя и княгиню Сан-Донато почетными гражданами Флоренции.
В 1883 году он написал брошюру «Еврейский вопрос в России».
Демидов купил ренессансную виллу Пратолино под Флоренцией, принадлежавшую роду Медичи, на которой и скончался 17 января 1885 года.