Павел Гаврилович Виноградов родился 30 ноября 1854 года в Костроме. Имел дворянское происхождение: сын директора училищ Костромской губернии Гавриила Киприановича Виноградова. В 13 лет поступил в четвёртый класс 4-й московской гимназии, которую окончил с золотой медалью в 1871 году.

Поступив в 1871 году на историко-филологический факультет Московского университета он с первого же курса начал посещать семинарий В. И. Герье. Окончил университетский курс кандидатом с золотой медалью за сочинение на заданную тему «Землевладение в эпоху Меровингов». Оставленный при университете со степенью кандидата для приготовления к профессорскому званию, он отправился в заграничную командировку, причём фактически за свой счёт - для издательства К. Т. Солдатёнкова выполнил перевод «Истории цивилизации во Франции» Ф. Гизо.

В Берлине занимался у Теодора Моммзена и Генриха Бруннера, слушал лекции Леопольда фон Ранке.

После возвращения из-за границы в 1876 году Виноградов стал преподавать на Высших женских курсах, а с 1877 года - в Московском университете, сторонним преподавателем.

С апреля 1881 года, после защиты магистерской диссертации - доцент по кафедре всеобщей истории Московского университета; с 1884 года по 1889 год - экстраординарный профессор; с июня 1889 до февраля 1902 года - ординарный профессор. В 1887 году защитил в Московском университете докторскую диссертацию «Исследования по социальной истории Англии в средние века».

Член-корреспондент Императорской академии наук с декабря 1892 года (действительный член - с января 1914 года). В 1898 году организовал и возглавил Педагогическое общество при Московском университете.

В 1897-1902 годах был гласным Московской городской думы; не состоял в политических партиях, хотя и симпатизировал октябристам и публиковался в их газете «Слово», после Первой русской революции поддерживал мирнообновленцев. После студенческих волнений и конфликта с министром просвещения Ванновским, в декабре 1901 года подал в отставку и уехал в Англию. С декабря 1903 года П. Г. Виноградов - профессор кафедры сравнительного правоведения Оксфордского университета.

Вернулся в Московский университет в 1908 году (сохраняя профессорскую должность в Оксфорде, каждый осенний семестр читал лекции и проводил семинары в Московском университете в качестве сверхштатного ординарного профессора всеобщей истории). В 1911 году в знак протеста против увольнения ряда профессоров навсегда покинул университет.

Почётный член Московского университета (1916). В начале 1917 года удостоен звания рыцаря Англии (в дальнейшем - баронет и сэр). В 1918 году стал британским подданным.

Умер в Париже 19 февраля 1925 года, похоронен в Холивэлл (Оксфорд).

П.Г. Виноградов вошел в историю науки двух стран - России и Англии - и в обеих этих странах заслужил своими научными трудами репутацию выдающегося ученого. По признанию английских историков, П. Г. Виноградов как бы заново открыл им историю их собственной страны...

А вы знаете, что… 

• До 13 лет Павел Виноградов обучался дома. Помимо основных предметов, здесь много внимания уделялось изучению иностранных языков. Дети, а их в семье было десять, обучались также рисованию, музыке, танцам, гимнастике, а мальчики –  еще и фехтованию. В детстве проявились и его незаурядные способности шахматиста. 

• Отец будущего историка и правоведа - Гавриил Киприанович - происходил из семьи суздальского священника. Однако он не пошел по стезе своего родителя, а поступил в Главный Педагогический институт в Санкт-Петербурге. По окончании института он был направлен в Кострому на работу в качестве учителя истории в мужской гимназии. В 1855 году Г.К. Виноградов был переведен в Москву на должность директора 1-й мужской гимназии. 

• Мать Павла Виноградова - Елена Павловна - являлась дочерью видного русского генерала, героя Отечественной войны 1812 года Павла Денисовича Кобелева. 

• Благодаря матери Павел Гаврилович получил хорошее музыкальное образование. Сестра Павла Виноградова Серафима вспоминала впоследствии: "Павел страстно любил музыку; он обладал совершенным понимаем ее, он ощущал ее всеми фибрами своей поэтической души. Он попытался привить мне глубокую любовь к серьезной классической музыке. Ему это удалось. Что бы он ни играл, он играл с таким большим чувством, с такой большой экспрессией... Его игра, полная изящества, силы, экспрессии и благородства, производила огромное впечатление на слушателя...»