Павел Иванович Батов родился в деревне Фелисово под Рыбинском. Учился и работал в Санкт-Петербурге, добровольцем призвался в ряды Русской императорской армии, в полк гвардейской стрелковой бригады, при которой он закончил учебную команду. В августе 1918 году был призван в ряды Красной Армии. Участник гражданской войны в России, принимал участие в подавлении народных антисоветских выступлений и мятежей в Рыбинске, Ярославле и Пошехонье. С декабря 1936 по август 1937 года под псевдонимом Пабло Фриц был направлен на гражданскую войну в Испанию, где воевал на стороне республиканцев, которых поддерживал СССР.

В должности командира 3-го стрелкового корпуса принимал участие в Польском походе РККА в сентябре 1939 года, а также в советско-финской войне.

В начале Великой Отечественной войны был заместителем командующего, а затем командующим 51 армии, оборонявшей Крым. В конце декабря 1941 года Батов был назначен на должность командующего 3-й армией Брянского фронта, после серии неудач был снят с командования и назначен исполняющим обязанности помощника командующего Брянским фронтом по сбору формирований в тылу.

Во время Сталинградской битвы командовал 4-й танковой армией, которая к октябрю 1942 года была преобразована в 65-ю армию, предпринял ряд успешных операций в составе фронтов. В январе 1943 года 65-я армия под командованием П. И. Батова в составе Донского фронта принимала участие в ходе операции по уничтожению окружённой немецкой группировки под Сталинградом.

С февраля по март 1943 года 65-я армия совместно с другими войсками фронта провела Севскую наступательную операцию на северном направлении, в ходе которой продвинулась на 30-60 километров. Во время Курской битвы 65-я армия вела оборонительные действия на выступе против 20-го армейского корпуса в районе Севска. В битве за Днепр армия понесла значительные потери в личном и командном составе.

Армия под командованием Батова принимала участие в ходе Калинковичско-Мозырской операции и в операции «Багратион», а затем — в Висло-Одерской, Млавско-Эльбингской, Восточно-Прусской, Восточно-Померанской и Берлинской наступательных операциях. Последний залп по врагу в полосе 65-й армии был сделан залпами «Катюш» по гарнизону на острове Рюген.

В послевоенное время занимал различные командные должности, в том числе был первым заместителем главнокомандующего группы советских войск в Германии, командующим войсками Прикарпатского и Прибалтийского военного округов, старшим военным специалистом в Народно-освободительной армии Китая и др.

Генерал армии Павел Иванович Батов умер 19 апреля 1985 года в Москве. Похоронен на Новодевичьем кладбище. В Рыбинске его именем названы улица и проспект, а его бронзовый бюст занимает место в мемориальном комплексе «Огонь Славы».