Paulo de Carvalho começou como baterista e em 1962 foi um dos fundadores dos Sheiks. Só em 1970 inicia uma carreira a solo ao ser convidado, por Pedro Osório para cantar "Corre Nina", no Festival RTP da Canção e obtêm o Prémio Casa da Imprensa para melhor intérprete. Em 1971 fica em segundo lugar no Festival RTP da Canção com "Flor Sem Tempo", da autoria de José Calvário. A Phonogram edita, em 1971, o LP "Paulo de Carvalho e a Movieplay lança o álbum "Eu gravado em Madrid. Em 1972 edita o disco "Festival de Camaradagem" com Fernando Tordo, e José Carlos Ary dos Santos. Participa no filme "Perdido Por Cem" de António Pedro Vasconcelos. Ainda em 1972, participa no VII Festival Internacional do Rio de Janeiro com "Maria, Vida Fria", de José Niza e Pedro Osório.
Em Fevereiro de 1973 participa no Festival RTP da Canção com "Semente". No verão de 1973 Viaja até Madrid para gravar o seu primeiro LP de originais. Vence o Festival RTP da Canção de 1974 com E Depois do Adeus. Esta canção foi uma das senhas para o Revolução dos Cravos.
Em 1975 regressa ao Festival RTP da Canção e obtém o prémio de interpretação no festival de Slantchev Briag, Bulgária. Em 1976 estreia-se como compositor para outros com "Lisboa Menina e Moça", celebrizada por Carlos do Carmo. Vence o Festival RTP da Canção de 1977 e participa no Festival da OTI 1977, em Madrid. Em 1978 grava o álbum "Volume I" que inclui canções como "Nini dos Meus Quinze Anos. Os Sheiks regressam em 1979 para uma série de 13 programas da RTP.
Em Março de 1980 obtém o 2º lugar no Festival Internacional de Viña del Mar, Chile, No Festival SOPOT da Polónia obtém o prémio para melhor intérprete. Grava o álbum "Até Me Dava Jeito" com a participação especial de Rui Veloso. Grava em Espanha, com produção de Joni Galvão, o álbum "Abracadabra. Em 1982 recebe o prémio da casa da imprensa pelo álbum "Desculpem qualquer coisinha", de 1985, é o primeiro disco de Ouro da sua carreira. Em 1986 lança novo disco, Um Homem Português. Assina com a CBS e grava o disco Terras da Lua Cheia.
Em 1989, com Carlos Mendes, Fernando Tordo e Pedro Osório participa em, "Só Nós Três". É um dos autores do tema "Cidade Até Ser Dia" de Anabela que venceu o Festival RTP. Por ocasião dos 30 Anos de Carreira é homenageado pela Casa de Imprensa na Grande Noite do Fado. Inicia uma colaboração com a Fundação Nacional da Luta Contra a Sida e com as ONGS, participando em espectáculos e compondo músicas cujos direitos revertem a favor da luta contra a Sida. A canção "Aparecida" de sua autoria, apareceu no Festival RTP da Canção cantada por Zé Carvalho e mais tarde foi a cantiga da Abraço, no espectáculo do Coliseu também interpretada pelo cantor Zé Carvalho.
O espectáculo "Fado em Sinfonia é apresentado no CCB com a Orquestra Sinfónica Portuguesa sob a direcção do maestro Álvaro Cassuto. O disco "Alma" de 1994, gravado nos estúdios Abbey Road com a London Symphony Orchestra, inclui um dueto com Dulce Pontes. O trabalho é apresentado em Caracas, na Venezuela, com a Orquestra Sinfónica de Caracas."Fados Meus" é o seu trabalho discográfico de 1996 onde colaboram Carlos do Carmo, Rita Guerra e Maria João. Em 1997 inicia uma temporada de actuações no Casino Estoril, onde se mantém até ao final de 1998. Juntamente com Ivan Lins realiza um espectáculo no Anfiteatro da Doca durante a Expo-98. Participa na banda sonora da novela "Os Lobos" e "Nesta Lisboa". Em Outubro de 1999 é editado o disco "Mátria" produzido por Ivan Lins que também interpreta alguns temas.
Em 2000 participa no CD da Campanha Pirilampo Mágico. Em 2001 fez a música e deu voz à campanha do voluntariado. A Movieplay lançou em 2002 uma Antologia com 40 das suas melhores canções. Em Maio de 2004 é editado o CD "Cores do Fado" que voltou a contar com o cantor e compositor brasileiro Ivan Lins. Em 2006 aceita o convite da editora Farol Música para regravar algumas das suas melhores canções. É lançado o disco "Vida" que se torna um grande sucesso. Em 2008 é lançado o disco "O Amor" .
Foi condecorado com o grau de Oficial da Ordem da Liberdade, a 10 de Junho de 2009.