Павел Михайлович Литвинов родился в Москве в 1940 году. Внук наркома иностранных дел СССР Максима Литвинова. Окончил физический факультет МГУ, преподавал физику в Московском институте тонкой химической технологии им. Ломоносова.

С середины 1960-х годов – активный участник правозащитного движения. Один из организаторов демонстрации протеста против вторжения в Чехословакию, состоявшейся на Красной площади 25 августа 1968 года. Стоял у Лобного места с лозунгом "За вашу и нашу свободу".

Был арестован на площади и приговорен Мосгорсудом к 5 годам ссылки, которую отбывал в Забайкалье. В 1974 году подписал "Московское обращение" в поддержку Александра Солженицына, в том же году под давлением властей уехал в США.

Был ведущим сотрудником правозащитного издательства "Хроника", членом группы поддержки журнала "Синтаксис", одним из основателей "Интернационала демократии". В 1989-1996 годах – член правления Российско-американской проектной группы по правам человека. С 1992 года – председатель Общества "Друзья "Мемориала"".

В декабре 2008 года вступил в оппозиционное Объединенное демократическое движение "Солидарность".