Павел Васильевич Самойлов родился 11 (23) июля 1866 года в Санкт-Петербурге. Принадлежал к знаменитой актёрской семье Самойловых. Сын Василия Васильевича Самойлова (от брака с М. А. Бибиковой, по сцене Споровой).
На сцене с 1888 года (дебютировал в Петербурге под фамилией Споров): антрепризы М. М. Бородая, А. Н. Дюковой; театры в Казани, Киеве, Харькове, Ростове-на-Дону, Москве (1891-1893, Театр Корша). В 1904-05 годах в Театре В. Ф. Комиссаржевской (Петербург). В 1900-04 и 1920-24 годах - в труппе Александринского театра (Ленинградский театр драмы им. А. С. Пушкина).
Играл роли: Гамлет, Хлестаков (Ревизор Н. В. Гоголя), Карандышев (Бесприданница А. Н. Островского), Жадов («Доходное место» А. Н. Островского), Фердинанд (Коварство и любовь Ф. Шиллера), Незнамов (Без вины виноватые А. Н. Островского), Чацкий (Горе от ума А. С. Грибоедова), Сторицин («Профессор Сторицын» Л. Н. Андреева), Тот («Тот, кто получает пощечины» Л. Н. Андреева), Арбенин (Маскарад М. Ю. Лермонтова), Уриэль Акоста («Уриэль Акоста» К. Ф. Гуцкова), Освальд («Привидения» Генрика Ибсена), Астров (Дядя Ваня А. П. Чехова), Штарк («Канцлер и слесарь» А. В. Луначарского; 1923).
В 1923 году был удостоен звания Заслуженный артист Республики.
Умер 16 апреля 1931 года в Ленинграде. Был похоронен на Новодевичьем кладбище, в 1936 году перезахоронен (с перенесением памятника) в семейной могиле с отцом и его первой женой, балериной С. И. Самойловой на Тихвинском кладбище (Некрополь мастеров искусств) Свято-Троицкой Александро-Невской лавры.