Fils d'un cheminot, Piotr Pavlenko naît à Saint-Pétersbourg. Il a un jeune frère, Zakhar. La maladie de sa mère contraint la famille à déménager à Tiflis où ils vivent dans le quartier le plus pauvre, peuplé principalement de cheminots.
Après les études secondaires, Pavlenko étudie à l'École polytechnique de Bakou en 1917-1920.
En 1920, il rejoint le parti communiste. Commissaire de l'Armée rouge, il passe plusieurs années à travailler pour le parti en Azerbaïdjan et en Géorgie. Il siège à la rédaction du journal militaire Krasny Voïn (Guerrier rouge), puis au journal républicain Zarya Vostoka (Tiflis).. En 1924, il fut délégué au XIIIe Congrès du Parti pour la Transcaucasie.
De 1924 à 1927, il travailla en Turquie à la mission commerciale soviétique, tout en étant correspondant pour le journal Izvestia (Odessa). Ses impressions sur la Turquie servirent de base à ses premières nouvelles, qui furent plus tard incluses dans le recueil Histoires d'Asie (1929), l'essai Istanbul et la Turquie (1930) et Anatolie (1932). De retour à Moscou en 1928, il rejoint le groupe Pereval, qu'il quitte en .
En 1930, parait la nouvelle Désert, inspirée d'un voyage au Turkménistan.
En 1932, il publie son premier roman, Barricades, consacré aux événements de la Commune de Paris. La même année, avec le critique littéraire Korneli Zelinski, il publie la lettre ouverte à John Dos Passos au sujet de l'application de la méthode du matérialisme dialectique en littérature,. C'est à cette époque que Pavlenko rencontre Maxime Gorki.
Lors du Congrès des écrivains soviétiques de 1934, l'accent fut mis sur la nécessité de créer une «littérature de défense nationale» (oboronnaya literatura) spécifique face à la menace croissante pesant sur la sécurité de l'Union soviétique. Plusieurs ouvrages furent écrits pour répondre à la demande de cette forme de propagande. À l'Est (1936) de Pavlenko, consacré à la vie des unités de l'Armée rouge en Extrême-Orient, en est un parfait exemple.
De 1932 à 1938, Pavlenko dirige la revue 30 Jours, puis l'almanach de Gorki An XVII, et travaille activement comme journaliste.
De 1945 jusqu'à sa mort, pour des raisons de santé, il vécut en Crimée, à Yalta. Il fonde et dirige l'Union des écrivains de Crimée, édite l'almanach Crimée et devient membre du comité de rédaction du magazine Znamya. Il écrit le roman Le Bonheur (1947), des nouvelles, le scénario du film La Chute de Berlin et la nouvelle Le Soleil des steppes (1949).
Décédé le , il est enterré à Moscou au cimetière de Novodievitchi . Il meurt sans avoir achevé sa dernière œuvre conçue comme une épopée historique, Shamil, consacrée au chef des montagnards du Caucase dans les années 1830.
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