Павел Батов родился 1 июня 1897 года в деревне Фелисово, Ярославская область. Рос в крестьянской бедной семье и окончил двухклассную сельскую начальную школу. В 1910 году переехал в Санкт-Петербург, где начал работать в торговом доме братьев Леоновых. Позже занимался различными низкоквалифицированными работами и продолжал самообразование, сдав экзамены за шесть классов экстерном.
В ноябре 1915 года Батов добровольцем пошел в Русскую императорскую армию и был направлен в лейб-гвардии 3-й стрелковый полк гвардейской стрелковой бригады. Участвовал в Первой мировой войне на Северном фронте, где командовал отделением разведчиков. В 1917 году закончил курс прапорщиков и был демобилизован в чине младшего унтер-офицера.
В августе 1918 года Павел Батов присоединился к Рабоче-Крестьянской Красной Армии. В Гражданской войне командовал пулеметным взводом, был помощником военного руководителя в Рыбинском военкомате, участвовал в подавлении контрреволюционных выступлений. После войны продолжал службу в Московском военном округе, прошел курсы офицеров и вступил в Коммунистическую партию.
В 1936-1937 годах участвовал в Испанской гражданской войне на стороне республиканцев под псевдонимом Пабло Фриц. Вернувшись, был награжден орденами Ленина и Красного Знамени, затем командовал различными корпусами и армией в ходе Великой Отечественной войны. После войны продолжал служить в армии и был избран депутатом Верховного Совета СССР.
В 1941 году организовал противодесантную оборону Крымского полуострова и стал заместителем командующего 51-й Отдельной армией. Вел бои за отражение немецких войск на Перекопском перешейке.
Павел Батов с 19 ноября 1941 года командовал 51-й Отдельной армией. Он руководил подготовкой армии к Керченско-Феодосийской десантной операции. В конце декабря он был назначен на должность командующего 3-й армией Брянского фронта. В это время армия состояла из пяти стрелковых дивизий и обороняла восточную часть рубежа реки Зуша в районе Орла. С января по февраль 1942 года, по приказу командующего Брянским фронтом Якова Черевиченко, 3-я армия провела ряд наступательных операций, однако не добилась успеха из-за значительных потерь.
Затем Батов был назначен исполняющим обязанности помощника командующего Брянским фронтом по формированиям, а затем утвержден на этой должности в сентябре. Его задачей была проверка фронтовых тылов для выявления возможности пополнения боевых подразделений. В результате было собрано несколько тысяч бойцов из тылов фронта, армий и дивизий, которые могли быть направлены в боевые порядки без ущерба для тыловых служб.
В октябре 1942 года Павел Батов был назначен командующим 4-й танковой армией, затем переименованной в 65-ю армию, входившую в состав Донского фронта. В это время армия обороняла участок протяженностью 80 км на малой излучине реки Дон от Клетской до Трехостровской и состояла из девяти дивизий. Батов ознакомился с подчиненными начиная с посещения передовых позиций на Клетском плацдарме и провел почти весь последующий месяц проверяя боевые порядки, посещая батальоны первого эшелона.
Во второй половине октября Юго-Западный, Донской и Сталинградский фронты начали подготовку операции по окружению 6-й армии противника в Сталинграде. Главная роль в полосе Донского фронта отводилась 65-й армии. Ей предстояло наступить с Клетского плацдарма, прорвать немецкую оборону, выйти в район Песковатки и охватить с юго-запада сиротинскую группировку противника для прикрытия левого фланга 21-й армии Юго-Западного фронта от возможного контрудара.
В ходе подготовки операции Батов стремился обеспечить четкое понимание каждым командиром своей задачи, взаимодействия с соседями, артиллерией, танками и пехотой. Он также ввел практику отработки деталей операции на ящике с песком, представляющем макет местности с условными знаками тактической обстановки.
Войска в составе Донского и Юго-Западного фронтов 19 ноября 1942 года перешли в наступление. К исходу первого дня наступления 65-я армия продвинулась вперед на 5-8 км, но не смогла полностью прорвать первую полосу обороны противника. Чтобы увеличить темп наступления, Павел Батов решил из всех танков, имеющихся в армии и нескольких стрелковых подразделений на машинах, создать подвижную ударную группу. Расчет командарма полностью оправдал себя. За первые же сутки подвижный отряд продвинулся вглубь немецкой обороны на 23 километра. Почувствовав угрозу охвата, противник ослабил сопротивление в полосе наступления армии, чем воспользовались ударные дивизии Красной Армии и, овладев рядом крупных узлов сопротивления противника, стали быстрее наступать, чему способствовала и подвижная группа, нанося противнику удары во фланг и тыл. Для более оперативного управления войсками командующий армией почти все время с 20 по 23 ноября с небольшой группой офицеров проводил в частях, ведущих бои.
Тем временем соседняя 24-я армия, перед которой стояла задача перерезать пути отступления противника на восточный берег Дона, действовала неудачно. Встретив упорное сопротивление, армия не смогла прорвать оборону противника, после чего втянулась в тяжелые бои. Учитывая это, а также успешное наступление 65-й армии, командующий фронтом Рокоссовский скорректировал план операции и задачу по овладению Вертячим поставил перед 65-й армией, которая с 24 по 27 ноября, несмотря на сильное сопротивление и контратаки противника, продвинулась еще на 25-40 км и вышла к Дону, а в боях с 28 по 30 ноября овладела Вертячим. Вскоре 65-я армия принимала участие в ходе операции по уничтожению окруженной немецкой группировки.
После завершения Сталинградской битвы Донской фронт упразднен, и на его основе северо-западнее Курска образован Центральный фронт, штаб которого разместился в Ельце, куда 18 февраля 1943 года прибыло управление 65-й армии. Здесь перед Батовым поставлена задача в короткие сроки в условиях зимнего бездорожья собрать войска, многие из которых находились на пути к месту сосредоточения, и подготовить их к предстоящему наступлению. В течение месяца армия совместно с другими войсками фронта провела Севскую наступательную операцию на северном направлении и 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 составе Центрального фронта 65-я армия под командованием Павла Ивановича Батова с 26 августа по 30 сентября принимала участие в Черниговско-Припятской операции и обороне в районе Севска, а также в форсировании реки Десны, освобождении Новгород-Северского, пройдя в ходе наступления около 300 километров и выйдя к среднему течению Днепра в районе Лоева. Командующий стал готовить войска к форсированию Днепра, используя нештатные и штатные средства переправы. После мощной артиллерийской подготовки 15 октября 1943 года к 10 часам утра четыре батальона захватили плацдарм на правом берегу реки, после чего удерживали его весь день. Ночью по наведенным переправам стали переходить соединения армии. Развернулись жаркие бои за расширение плацдарма и к 27 октября 65-я армия расширила его по фронту на 35 км и в глубину на 20 километров.
За успешное форсирование реки Днепр, прочное закрепление плацдарма на западном берегу реки Днепр и проявленные при этом отвагу и геройство Указом Президиума Верховного Совета СССР от 30 октября 1943 года генерал-лейтенанту Павлу Ивановичу Батову присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда».
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 наступательных операциях. В Берлинской наступательной операции армия форсировала Одер и заняла большие районы в северной Германии, освободив города Росток и Штеттин. Последний залп по врагу в полосе 65-й армии сделан «Катюшами» по гарнизону на острове Рюген.
За образцовое выполнение боевых заданий Командования на фронте борьбы с немецкими захватчиками Указом Президиума Верховного Совета СССР от 2 июня 1945 года генерал-полковник Павел Иванович Батов награжден второй медалью «Золотая Звезда».
После войны Павел Батов назначен на должность командующего 7-й механизированной армией, а в октябре 1946 года — на должность командира 7-й отдельной танковой дивизии. Вскоре направлен на учебу на Высшие академические курсы при Военной академии Генерального штаба Вооруженных Сил, по окончании которых в марте 1950 года стал командующим 11-й гвардейской армией. В июне 1954 года занял пост первого заместителя главнокомандующего Группой советских войск в Германии, а в марте 1955 года — командующего войсками Прикарпатского военного округа. С апреля 1958 года являлся командующим войсками Прибалтийского военного округа.
Генерал армии Павел Батов в ноябре 1959 года назначен старшим военным советником в Народно-Освободительной армии Китая. В январе 1961 года стал военным инспектором-советником Группы генеральных инспекторов Министерства обороны СССР, в августе того же года — командующим Южной группы войск. С сентября 1962 года являлся первым заместителем начальника Генерального штаба Вооруженных Сил СССР — начальником штаба Объединенных Вооруженных сил государств — участников Варшавского Договора. В октябре 1965 года вновь занял должность военного инспектора-советника Группы генеральных инспекторов Министерства обороны СССР. С 1970 года находился на посту председателя Советского комитета ветеранов войны.
Павел Иванович Батов умер 19 апреля 1985 года в возрасте восьмидесяти семи лет. Похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве.
