Участник 1-й мировой войны. В Красной Армии с 1919 г. Во время Гражданской войны был командиром взвода, эскадрона, помощником командира кавалерийского полка. Окончил: высшую кавалерийскую школу в 1922 г., Военную академию им. Фрунзе в 1928 г., академические курсы при Военно-технической академии в 1931 г.
Образование получил в Военной академии имени Фрунзе (1928) и на академических курсах при Военно-технической академии (1931). Участник 1-й мировой войны. В 1919 вступил в РКП(б) и Красную армию. В Гражданскую войну командир взвода, эскадрона, помощник командира полка. С 1928 командир кавалерийского и механизированного полков, командир и комиссар механизированной бригады. В качестве инструктора участвовал в Гражданской войне в Испании. Участник боев с японцами на КВЖД и советско-финской войны 1939-40. С 1937 нач. Автобронетанкового управления РККА. С 1937 депутат Верховного Совета СССР. В 1938 вместе с другими военными обратился с письмом к И.В. Сталину с призывом прекратить репрессии в армии. С 1939 кандидат в члены ЦК ВКП(б). С июня 1940 командующий войсками Белорусского (с июля 1940 Западного) Особого военного округа. В 1940, выступая на совещании, заявил: "У нас врагов народа оказалось столько, что я сомневаюсь, что все они были врагами". В середине июня 1941 направил Сталину и в Наркомат обороны две шифровки с просьбой о выводе войск на полевые позиции, пытался добиться разрешения на частичное отмобилизование частей округа, просил усилить округ частями связи и танками. С началом Великой Отечественной войны стал командующим Западным фронтом. В результате полной неподготовленности СССР к войне, а также отказа Сталина и высшего военного и политического руководства принять во внимание многочисленные сообщения о грядущей войне войска фронта Павлова попали в практически безвыходное положение. При этом Ставка требовала наступления, а у Павлова не было сил даже на оборону. Не имевшие оборудованных оборонительных позиций, что соответствовало предвоенной концепции войны, войска фронта были разгромлены: за 17 дней из 625 тыс. человек фронт потерял около 420 тысяч. Вызван в Москву и арестован. В связи с тем, что Сталин не собирался брать на себя ответственность за поражения, Павлов (вместе с нач. штаба генерал-майором В.Е. Климовских, нач. связи генерал-майором А.Т. Григорьевым и командующим 4-й армией А.А. Коробковым) был обвинен в трусости, преднамеренном развале управления фронтом и сдаче противнику без боя. Приговорен к лишению воинского звания и к смертной казни с конфискацией имущества. Расстрелян. В 1956 реабилитирован.