В 1900 г. отцу предложили место заведующего школой для детей железнодорожников в Гомеле, семья переехала туда. В школе Осип Андреевич организовал кружок хорового пения. Он собрал большую библиотеку, в семье все пели и играли на скрипке. 

В 1905 г. Павел поступил в Гомельскую мужскую гимназию, которую окончил в 1914 г. с серебряной медалью, имея в аттестате оценки «хорошо» по немецкому и латинскому языкам, и «отлично» по остальным предметам. В дальнейшем Павел Осипович читал свободно техническую литературу на немецком, и со словарём на других европейских языках, освоиться в которых помогало владение латынью. Позже ему помогали переводить с французского и английского жена Софья и дочь Ирина. 

В гимназические годы случилось событие, определившее будущее Павла: «Я шёл с ребятами из гимназии, и вдруг над нашими головами пролетел аэроплан. Это было так неожиданно и удивительно, что дух захватывало». То был французский биплан «Фарман IV», которым правил Сергей Уточкин. Этот знаменитый одессит занимался пятнадцатью видами спорта, первый полёт на воздушном шаре совершил в 1907 г., на аэроплане — три года спустя. Его полёты наблюдали многие будущие лётчики и авиаконструкторы — Сергей Ильюшин в Москве, Николай Поликарпов в Орле, автор «петли» Пётр Нестеров в Тбилиси, Сергей Королёв в Нежине, Игорь Сикорский в Киеве и другие. Александр Куприн, Константин Паустовский, Исаак Бабель, Владимир Маяковский, Корней Чуковский оставили о нём воспоминания. В 1916 г. Уточкин скончался от инсульта в больнице для душевнобольных. 

В 1914 г. Павел Сухой поступает на математический факультет Москов-ского университета, через год переходит в Императорское Московское тех-ническое училище, поступает в кружок воздухоплавания, которым руководил отец аэродинамики Николай Жуковский. Но тут Павла призывают в армию. После учёбы в школе прапорщиков в Петергофе он отправляется на Западный фронт в артиллерию, где наблюдает полёты «фарманов», «ньюпоров», «де хевиллендов» в боевых условиях. 

После 1917 г. Сухой возвратился в Москву к закрытым дверям Технического училища. Он возвращается в родительский дом, преподаёт математику, в городе Лунинец знакомится с учительницей английского языка, ставшей его женой. 

В 1919 г. заболевает тифом, а потом скарлатиной, давшей осложнения на горло. Имевший ранее приятный тенор, теперь Павел Осипович говорил приглушённо, с трудом, отчего коллеги считали его в общении «несколько суховатым». 

В 1921 г. Павел Сухой возвращается в Техническое училище, в 1924 г. работает чертёжником в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ), основанном Жуковским. 

В 1925 г. защищает диплом на тему «Од-номестный истребитель с мотором 300 лошадиных сил». Научный руководитель Андрей Туполев приглашает молодого инженера-механика в конструкторский отдел ЦАГИ. До войны Павлом Сухим под общим руководством Туполева были разработаны истребители И-4 (1926–1927), И-14 (1932–1934). Он сконструировал самолёт РД (АНТ-25), на котором советские летчики Валерий Чкалов и Михаил Громов в 1938 г. совершили беспосадочные полёты из Москвы через Северный полюс в США, и бомбардировщик ДБ-2 (АНТ-37). На гражданской версии ДБ-2 под названием «Родина» Валентина Гризодубова, Полина Осипенко и Марина Раскова в 1938 г. установили женский международный рекорд дальности полёта. 

В 1940 г. Павлу Осиповичу была присвоена степень доктора технических наук, без защиты диссертации. Первая машина, созданная в основанном в 1939 г. Конструкторском бюро Сухого, и названная именем конструктора, был лёгкий бомбардировщик Су-2, отличившийся неприхотливостью в обслуживании и хорошим обзором из кабины. «Сушки» приняли на себя первый удар фашистов, затем доблестно сражались под Москвой, Сталинградом и на Курской дуге. Всего было выпущено 893 таких само-лёта. 

В послевоенные годы Сухой возглавил работы в области реактивной авиации. В его конструкторском бюро был разработан ряд серийных боевых машин — истребитель Су-7 со скоростью полёта вдвое выше скорости звука, истребители-перехватчики Су-9, Су-11, Су-15, бомбардировщики Су-7Б с лыжным и колёсно-лыжным шасси для базирования на грунтовых аэродромах и Су-17 с изменяемой в полете стреловидностью крыла, фронтовой бомбардировщик Су-24, штурмовик Су-25. Всего под руководством Сухого разработано более 50 конструкций самолётов, из которых 30 были запущены в производство. 

В конце 1960-х годов в КБ Сухого по просьбе Минздрава была начаты разработки искусственного сердца, они велись совместно с медиками США в течение 20 лет. 

Павел Осипович Сухой скончался 15 сентября 1975 г. в подмосковной Барвихе, похоронен на Новодевичьем кладбище. 

Именем учёного названы улицы в Гомеле и Витебске, в Москве его улица появилась в 2004 г. на месте упразднённого аэродрома имени Фрунзе, к ней примыкает территория Опытно-конструкторского бюро Сухого. Самолёты Су в виде памятников стоят во многих городах, от нашего Нижнего Тагила до столицы Перу Лимы. Стоит самолёт Су-17 и на въезде в Глубокое.