Павел Урысон родился 3 февраля (по новому стилю) 1898 года в Одессе. Павел рано остался без матери, и заботу о нём взяли на себя его отец и сестра — Лина Самойловна Нейман. В 1912 году семья переезжает в Москву. В школьные годы Павел мечтает стать физиком, но затем ему становится более интересна математика. В 1915 году Павел поступает на физико-математический факультет Московского университета, где вскоре входит в научную школу Николая Николаевича Лузина.
Окончив Московский университет в 1919 году, Урысон поступает в аспирантуру к Лузину и заканчивает её в 1921 году. Тогда же (с 30 марта 1921 года) начинается его сотрудничество и дружба с Павлом Сергеевичем Александровым. П. С. Урысон был сотрудником института математики и механики Московского университета и профессором 2-го Московского университета.
Павел Самуилович Урысон погиб в результате несчастного случая во время купания 17 августа 1924 года.
Основные результаты получены Урысоном в области топологии, нелинейных дифференциальных уравнений, геометрии.
Ещё в аспирантуре Урысон выполнил несколько ярких научных работ. Они были посвящены теории дифференциальных уравнений и нелинейным уравнениям в бесконечномерном пространстве. Урысон также доказал теорему из области выпуклой геометрии о том, что шар является телом максимального объёма при фиксированной средней ширине. Совместно с Александровым Урысон основал советскую топологическую школу. Он создал новое направление в топологии — теория размерности. Он доказал так называемые метризационные теоремы о топологических пространствах.
В 1921—1922 годах в Московском университете он впервые в России прочитал курс топологии.