Γεννήθηκε στη Μασσαλία της Γαλλίας. Η καταγωγή της οικογένειάς του ήταν από τη Βόρεια Ήπειρο. Μετά τη μετακίνηση της οικογένειας στην Αθήνα, σπούδασε στη Στρατιωτική Σχολή Ευελπίδων απ' όπου αποφοίτησε ως ανθυπολοχαγός του πυροβολικού το 1891. Φέροντας τύψεις για την έκβαση του πολέμου του 1897 συμμετείχε από τους πρώτους στο ιδρυθέν το 1900 Μακεδονικό κομιτάτο για την εμψύχωση του απογοητευμένου ελληνικού πληθυσμού της Μακεδονίας και σε αντίδραση στη δράση των Βουλγάρων κομιτατζήδων. Έτσι από τον Φεβρουάριο του 1904 ο Παύλος Μελάς έσπευσε με άλλους 4 αξιωματικούς προς επιτόπια μελέτη της κατάστασης. Αποτυγχάνοντας σε εκείνη την πρώτη προσπάθεια, επανήλθε τον Ιούλιο του ίδιου έτους οπότε και εισήλθε στη Μακεδονία ως ζωέμπορος με το όνομα "Πέτρος Δέδες". Μετά 20ήμερη παραμονή συναντήθηκε με τον Λάμπρο Κορομηλά στη Θεσσαλονίκη ανταλλάσσοντας σκέψεις για ανάληψη επιχειρήσεων και στη συνέχεια επέστρεψε στην Αθήνα.
Στις 18 Αυγούστου όταν όλα ήταν έτοιμα κατά το σχέδιο ο Παύλος Μελάς με το επιχειρησιακό όνομα Καπετάν Μίκης Ζέζας, επικεφαλής σώματος εκ 35 μόλις ανδρών, που το αποτελούσαν Μακεδόνες, Μανιάτες και Κρητικοί, ανέλαβε την αρχηγία του Μακεδονικού αγώνα ενάντια στους Βούλγαρους και εισήλθε ένοπλα στα Μακεδονικά εδάφη με την εντολή να ασκεί καθήκοντα αρχηγού και στις μικρότερες ομάδες που δρούσαν εν τω μεταξύ στη περιφέρειες Μοναστηρίου και Καστοριάς. Πληροφορηθέντες οι Τούρκοι από διάφορους καταδότες περί της εισόδου και της δράσης του Παύλου Μελά έθεσαν προς καταδίωξή του πολυάριθμο τουρκικό απόσπασμα. Παρά τις συνεχείς διώξεις του Οθωμανικού στρατού ο Παύλος Μελάς άρχισε ν΄ αποδεκατίζει τις βουλγαρικές ομάδες με βάση τα χωριά Λιγκοβάνη και Λίχυβο. Όμως στις 13 Οκτωβρίου 1904 βρισκόμενος στα Στάτιστα και προδοθείς από την βουλγάρικη συμμορία του Μήτρου Βλάχου περικυκλώθηκε από Τουρκικό απόσπασμα 150 ανδρών. Μετά από δίωρη λυσσαλέα μάχη διέταξε αιφνίδια έξοδο τεθείς επικεφαλής των ανδρών του . Στην επιχείρηση αυτή τραυματίσθηκε θανάσιμα στην οσφυϊκή χώρα και πέθανε μετά από μισή ώρα στα χέρια του φιλου του, Γεώργιο Στρατινάκη. Η κεφαλή του αποκοπείσα υπό των συμμαχητών του τάφηκε προ της "ωραίας πύλης" του Ναού της Αγίας Παρασκευής στο χωριό Πισοδέρι, το δε σώμα του παραδόθηκε από τους Τούρκους στον Μητροπολίτη Καστοριάς όπου και τάφηκε στον παρακείμενο βυζαντινό ναό των Ταξιαρχών.
Μετά το θάνατο του η δράση των Ελληνικός Στρατός εγινε πιο έντονη, περιορίζοντας τη δράση των Βούλγαρων Κομιτατζήδων, και επιτυγχάνοντας την ένωση Δυτικής και Κεντρικής Μακεδονίας με την Ελλάδα.
Σήμερα, το όνομα του Παύλου Μελά φέρει προς τιμή του το χωριό Στάτιστα ενώ πλήθος προτομών του στολίζουν πλατείες πόλεων μεταξύ των οποίων στη Θεσσαλονίκη, την Αθήνα, την Κοζάνη και σε άλλες πόλεις της Ελλάδας.
Ο Παύλος Μελάς θεωρείται σύμβολο του Μακεδονικού Αγώνα, και πολλά προσωπικά του αντικείμενα εκτίθενται τώρα στο Μουσείο Μακεδονικού Αγώνα Θεσσαλονίκης και στο μουσείο Παύλος Μελάς στην Καστοριά.
