Павел Потемкин родился 27 июня 1743 года. Получив домашнее образование, в 1756 году в возрасте тринадцати лет отдан на военную службу в лейб-гвардии Семеновский полк. Позднее молодой человек окончил Московский университет.
Потемкин принимал участие в русско-турецкой войне 1768-1774 годов. Благодаря покровительству троюродного брата Григория Александровича Потемкина быстро продвигался по службе и стал известен Екатерине II как храбрый и способный офицер. В 1774 году назначен начальником Казанской и Оренбургской секретных комиссий по расследованию и наказанию участников Пугачевского бунта. Находился в Казани в момент ее взятия войсками Пугачева 15 июля, вместе с гарнизоном и горожанами заперся в Казанском кремле.
Павел Потемкин лично руководил проведением допросов плененных пугачевских атаманов Белобородова, Зарубина, Ульянова и других в Казани, позже в Ульяновске. В октябре совместно с генерал-аншефом Петром Паниным, военным руководителем подавления восстания, проводил допросы Емельяна Пугачева, а затем участвовал в проведении генерального следствия в Москве. В начале декабря следствие над преступниками окончено и донесение о нем отправлено в Санкт-Петербург. Потемкину поручено вместе с И. И. Козловым и князем Волконским составить сентенцию. По окончании следствия и суда в январе 1775 года награжден шпагой с алмазами. В 1778 году произведен из камер-юнкеров в камергеры.
Осенью 1782 года генерал-поручик Павел Сергеевич принял командование русской армией на Северном Кавказе. В конце года Картли-Кахетинский царь Ираклий II обратился к императрице России Екатерине II с просьбой принять Грузию под покровительство России. Стремясь упрочить позиции в Закавказье, императрица предоставила Потемкину широкие полномочия для заключения договора с царем. В результате 4 августа 1783 года в крепости Георгиевск подписан Георгиевский трактат
В сентябре русские отряды во главе с генерал-поручиком Павлом Потемкиным и генерал-поручиком Александром Самойловым перешли Терек, опустошили Чечню и нанесли поражение чеченским отрядам в боях под Атагами и Ханкалой, на реках Валерик, Гехи, Гойты и Рошня. В 1784 году назначен генерал-губернатором Саратовского наместничества. При этом уже в 1785 году назначен генерал-губернатором Кавказского наместничества, одновременно с Саратовским наместничеством. В августе 1787 года генерал-поручик возглавлял русский корпус, который переправился через реку Кубань.
С началом русско-турецкой войны Павел Сергеевич находился в действующей армии, участвовал во взятии Измаила. За отличие при штурме награжден орденом Святого Георгия 2-го класса. Указом императрицы Екатерины II от 3 июня 1791 года пожалована суконная фабрика в селе Глушково Курской губернии со всеми селениями, людьми и с землями. В 1794 году участвовал в боевых действиях в Польше, в том числе при взятии Праги. По окончании боевых действий получил звание генерал-аншефа, а в 1795 году титул графа.
В январе 1796 года Потемкин обвинен в соучастии в убийстве и ограблении персидского принца Идаст-Хана в 1786 году. Защищая себя от несправедливых обвинений, написал стихотворение «Глас невинности». Не выдержав удара, заболел горячкой и умер 29 марта 1796 года.
Орден Святого Георгия IV степени
Шпага с алмазами
Орден Святого Георгия III степени
Орден Святой Анны
Орден Святого Александра Невского
Георгиевская звезда II степени
Золотая табакерка, посреди которой был медальон, осыпанный бриллиантами
Переводы: «Восстановление наук и художеств способствовало ли к исправлению нравов?», «Новая Элоиза», «О начале и основании неравенства между людьми», Руссо и трагедия «Магомет» Вольтера, «Поэма на победы, одержанные российской армией над турецкими войсками»
Драмы: «Россы в Архипелаге», «Торжество дружбы», «3ельмира и Смелон, или взятию Измаила».
«Рассуждение Ж. Ж. Руссо на вопрос: какая добродетель есть самонужнейшая героям, и которые суть те герои, кто оной добродетели не имели?»
Эпистола графу Григорию Григорьевичу Орлову
Остались неопубликованными: «История о Пугачёве» и «Описание кавказских народов»
Отец - Сергей Дмитриевич Потемкин (1697-после 1770)
Мать - Анна Михайловна, урожденная княжна Кропоткина
Жена - Прасковья Андреевна Закревская (02.09.1765-1816), фрейлина двора, дочь действительного статского советника, директора Императорской академии художеств, Санкт-Петербургского уездного предводителя дворянства А. О. Закревского. В браке с 1785 года
Сын - Григорий (1786-26.08.1812), погиб под Бородино
Сын - Сергей (1787-1858), писатель; был женат княжне Елизавете Петровне Трубецкой (1796-после 1870)