Павел Осипович Сухой родился 22 июля (10 июля по старому стилю) 1895 года в селе Глубокое Дисненского уезда Виленской губернии Российской империи (ныне город Глубокое Витебской области Белоруссии), в семье учителя Осипа Андреевича Сухого и Елизаветы Яковлевны Гисич.

В 1905-1914 годах учился в Гомельской мужской гимназии, окончил ее с серебряной медалью.

В сентябре 1914 года переехал в Москву, поступил на математический факультет Императорского Московского университета (ныне Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова). Отучившись год, поступил в Императорское Московское техническое училище (ИМТУ, ныне Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана).

В 1916 году был призван в армию, прошел обучение в школе прапорщиков, принимал участие в Первой мировой войне. В марте 1918 года вернулся в Москву, однако не смог продолжить занятия в ИМТУ, работа которого была временно приостановлена. В связи с этим в ноябре уехал преподавать математику в город Лунинец в Западной Белоруссии.

С мая 1919 по 1920 год - преподаватель математики в школе для детей железнодорожников в Гомеле (Белорусская ССР), которой заведовал его отец.

В 1920 году продолжил учебу в Московском высшем техническом училище (новое название ИМТУ), которое закончил в 1925 году, защитив дипломный проект на тему "Одноместный истребитель с мотором 300 лошадиных сил". Работа была подготовлена под руководством авиаконструктора Андрея Туполева. Начал работать инженером-конструктором в конструкторском отделе АГОС ("Авиация, гидроавиация, опытное строительство") Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ).

С октября 1930 по май 1932 года - руководитель бригады номер 4 АГОС ЦАГИ.

С мая 1932 по май 1936 года - руководитель бригады номер 3 ("Легкие самолеты") конструкторского отдела опытного самолетостроения (КОСОС) ЦАГИ. В мае 1936 года стал заместителем начальника опытно-конструкторского бюро (ОКБ) Завода опытных конструкций (ЗОК) ЦАГИ. В 1939 году КОСОС и ЗОК были выделены из ЦАГИ и переведены в Харьков на авиазавод 135.

С февраля 1939 по апрель 1940 года - главный конструктор ОКБ-135 (Харьков).

13 сентября 1940 года получил степень доктора технических наук.

С апреля 1940 по ноябрь 1949 года - главный конструктор КБ авиазавода 289, базировавшегося на ряде предприятий в Москве и Подмосковье. С ноября 1940 года занимал также должность директора этих предприятий. Во время Великой Отечественной войны авиазавод находился в эвакуации в Молотове (ныне - Пермь), после войны размещен в городе Тушино (ныне - район Москвы). В 1949 году КБ было ликвидировано после потери в испытательном полете опытного истребителя-перехватчика Су-15 (это же название впоследствии получил другой самолет, разработанный коллективом под руководством Сухого в начале 1960-х годов.).

В 1949-1953 годах работал на должности главного конструктора в КБ Андрея Туполева.

В 1953-1956 годах - главный конструктор, с 1956 года - генеральный конструктор воссозданного КБ (в феврале 1954 года бюро получило номер 51 в системе Минавиапрома СССР).

Принимал участие в проектировании самолетов АНТ-3 "Пролетарий" (первый полет в 1925 году), ТБ-1 (1925), ПС-9 (1929), ТБ-3 (1930), Р-7 (1930). Под общим руководством Андрея Туполева Сухой работал над истребителями И-4 (1927), И-14 (1933), дальним бомбардировщиком ДБ-2 (1935), самолетами АНТ-25 (РД, "Рекорд дальности", 1933) и АНТ-37- бис "Родина" (1938). Принимал участие в конкурсной разработке самолета под шифром "Иванов" - проект завершился созданием боевого многоцелевого самолета Су-2/ББ-1 (1937). После Великой Отечественной войны под руководством Павла Сухого разработан ряд серийных реактивных боевых машин: сверхзвуковой истребитель Су-7 (1955), истребители-перехватчики Су-9 (1957), Су-11 (1958), Су-15 (1962), истребитель-бомбардировщик Су-17 (1966), фронтовой бомбардировщик с изменяемой стреловидностью крыла Су-24 (1970), штурмовик Су-25 (1975) и другие. Руководил началом разработки истребителя четвертого поколения Су-27 (1977).

В 1958-1974 годах - депутат Верховного Совета СССР.

Скончался 15 сентября 1975 года, похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве.

Дважды Герой Социалистического Труда (1957, 1965), лауреат Ленинской (1968), Сталинской (1943) и Государственной (1975) премий. Кавалер трех орденов Ленина (1945, 1957, 1975), ордена Октябрьской революции, Трудового Красного Знамени (1938), Красной Звезды (1933) и других. Награжден золотой медалью им. А.Н. Туполева номер 001 (1975, посмертно).

Был женат на Софье Феликсовне Сухой (в девичестве Тенчинская, 1895-1982). Дети - Ирина (1925-2009) и Дмитрий (1932-2000).

В марте 1977 года имя Павла Сухого было присвоено КБ, в котором он работал (ныне - филиал ПАО "Компания "Сухой" "ОКБ Сухого"). В декабре того же года был открыт памятник авиаконструктору в Гомеле. В честь него названы улицы в Москве, Витебске, Гомеле, а также школа в городе Глубокое, где в 1985 году создан музей П.О. Сухого и установлен самолет-памятник Су-17М. Мемориальная доска установлена в Москве по адресу Ленинский проспект, д. 7, где авиаконструктор проживал в 1947-1965 годах. В 1995 году в связи со 100-летием со дня рождения Павла Сухого его имя было присвоено Гомельскому государственному техническому университету (Белоруссия)....