Павел Николаевич Барто родился 4 января 1904 года в семье инженера Николая Ричардовича Барто. Дед — английский коммерсант Ричард Барто, бабушка — Лидия Петровна Севрюгина. Сестры отца — балерины Екатерина Барто и Лидия Ричардовна Нелидова, урожд. Барто. Мать — Лидия Эриховна Виллер. Сестра — Евгения Барто. Старший брат — Ростислав Барто — стал известным живописцем и иллюстратором детских книг (в 1934 году в журнале «Юный натуралист» была совместная публикация братьев Барто).

В юности занимался балетом в студии своей тётки Лидии Нелидовой. Там же познакомился с будущей женой Агнией Воловой, которая взяла в браке фамилию мужа и впоследствии уже как Агния Барто стала известной советской детской поэтессой, киносценаристом, ведущей радиопередач.

Павел Барто был участником Первого Всесоюзного съезда писателей, членом Союза писателей с 1935. В 1930-х годах работал редактором Детгиза.

В 1940 году учился на курсах при Военно-политической академии. Во время войны и после был редактором газеты Северного флота «Краснофлотец», уволен в запас в 1960 году в звании капитана.

Умер 23 октября 1986 года. Похоронен на Введенском кладбище (уч. 19).