Enfant d’un père franc-comtois et d’une mère bourguignonne, Paul Charlot grandit à Sucy-en-Brie et se consacre dès 1923 à la peinture. 

En 1926, il entre à l’Académie Montmartre située au 104 boulevard de Clichy où règne une émulation de styles picturaux et de nationalités. Paul Charlot intègre la classe des peintres Joseph Bergès et Henri Ottman, et est également l’élève du peintre André Lhote.

En 1927, Paul Charlot réalise son service militaire au camp d’aviation du Neudorf à Strasbourg en tant que secrétaire, et ne cesse jamais de dessiner. A son retour, il occupe un appartement avec son ami peintre Kurt Hinrichsen à Paris afin de travailler ensemble.
 
Paul Charlot expose pour la première fois en 1930 au Salon des Indépendants au 239 boulevard Raspail à Paris. Organisé en 1884 par la Société des artistes indépendants, ce Salon a pour vocation d’accueillir les artistes revendiquant une certaine indépendance dans leur art, face à l’académisme dominant. L’événement est caractérisé par l’absence de jury et de récompenses, mais comprend toutefois un comité d’admission. La même année, Paul Charlot expose au 23 rue La Boétie aux côtés de ses amis Kurt Hinrichsen et René Morère.

De 1936 à 1938, Paul Charlot réalise des dessins pour la revue La Barre (cahiers de poésie et d’art) dirigée par Roger Hallot. 

En 1940, il est mobilisé pour la Seconde Guerre mondiale et épouse la même année Mademoiselle Louise Bourdères à qui il confie 12 tableaux que les Allemands lui voleront. La même année, Louise Bourdères donne naissance à son premier enfant, Daniel. Lorsque la guerre est terminée, Paul Charlot rejoint sa femme et son fils à Pau dans les Pyrénées-Atlantiques et rencontre des difficultés à se fournir en peinture à l’huile. C’est alors son ami René Morère qui lui prête des couleurs à l’eau, et de nombreux dessins au fusain et gouaches verront le jour. En 1941, Paul Charlot réalise pour le journal France-Pyrénées des dessins sportifs pour gagner sa vie. 

En 1942-1943, le choc de la guerre fait se rendre compte Paul Charlot qu’il s’est trompé dans sa façon de peindre. Il dit s’être laissé influencer par les directions que ses professeurs lui donnaient à l’Académie Montmartre. Une peinture plus personnelle et intime s’éveille en lui qu’il n’a plus qu’à exprimer. Il détruit alors de nombreuses toiles et se met à réaliser des natures mortes. Son enfance à Sucy-en-Brie l’influence grandement car il vivait entouré de grands parcs et d’arbres baignés de lumière. Ces souvenirs de nature font surface et il s’en imprègne pour sa production de tableaux pour lesquels la lumière est chatoyante, les couleurs sont lumineuses et les motifs disparates. En 1944, il est totalement dégagé des influences académiques et expose neuf toiles, fruits de ses nouvelles recherches, au Salon d’Automne à Paris. La même année, son deuxième enfant Claire naît.

En 1948, Paul Charlot fabrique de la céramique avec son ami peintre et céramiste Henri Plisson, et participe en 1951 chez Claude Tabet à Paris à une exposition de céramiques avec d’autres artistes où il présente un grand plat décoré d’une femme dormant. Il renouvelle cette expérience en 1953 lors d’une exposition de céramiques au Havre.

Du 9 au 30 avril 1948, Paul Charlot présente sa première exposition personnelle de vingt toiles à la Galerie Hermann située au 9 rue des Beaux-Arts à Paris. Jusqu’ici, les œuvres de l’artiste étaient éparpillées dans plusieurs galeries, mais à partir de 1952, Monsieur Hermann est le premier marchand de Paul Charlot et en centralise plusieurs. 

La même année, Paul Charlot est nommé sociétaire du Salon d’Automne et en 1960 y est élu membre du comité. 

En 1951, le poète et écrivain Luc Decaunes demande à Paul Charlot de réaliser un frontispice pour Le Droit de Regard (1951) qui fut sa première illustration pour un livre. En 1954, la Guilde Internationale de la Gravure lui commande une lithographie en six couleurs (une technique d’impression à plat d’un dessin réalisé sur une pierre calcaire à grain fin), qui sera sa première création avec cette technique. 

Paul Charlot vend ses œuvres dans son atelier boulevard de Clichy et en 1947 achète un atelier au 7bis rue Duperré. Après la Libération en 1945, il revient de la Bourgogne pour Paris et achète un nouvel atelier rue Duperré.

Il voyage beaucoup : en Suisse, en Belgique où il découvre Rubens, en Espagne en 1933 où il tombe amoureux de Francisco de Goya et Le Greco, en Autriche, en Provence, en Bourgogne, et aux Sables-d’Olonne où il peint des marines.

L’Etat lui achète de nombreuses œuvres comme Auxerre en 1939, Une Plage en 1948, La Femme aux Fraises en 1949, ou encore La Nuit en 1951. La Ville de Paris est aussi friande de ces œuvres et achète à l’artiste Les Autobus en 1955. 

Son œuvre est dispersée dans des musées tant français qu’internationaux et est à ce jour régulièrement en circulation sur le marché de l’art.