De formare inginer-mecanic, Pavel Filip a intrat în politică în 2010, împreună cu Vladimir Plahotniuc, pe filiera Partidului Democrat din Moldova.

Cariera lui profesională a început în sectorul privat: timp de 17 ani a lucrat la Fabrica de cofetărie din Chișinău - Bucuria SA, în diferite posturi, ulterior fiind și directorul întreprinderii. În perioada 2008-2011, Filip a condus Tutun-CTC, companie cu capital majoritar de stat privatizată în ianuarie 2019.

La 20 ianuarie 2016 a fost investit de către parlamentari în funcția de prim-ministru al Republicii Moldova. Votul de încredere acordat Guvernului Filip a fost urmat de ample proteste ale opoziției: mulțimea adunată în fața Parlamentului a încercat să ia cu asalt clădirea, timp în care membrii noului Guvern au fost evacuați printr-o ieșire secretă. În seara aceleiași zile, aproape de miezul nopții, Guvernul condus de Pavel Filip a depus jurământul în fața șefului statului, în cadrul unei ceremonii secrete.

La parlamentarele din 2019 a candidat pe Circumscripția uninominală nr. 20 - Strășeni, raionul său de baștină, unde a câștigat detașat. În noul legislativ a devenit preşedintele fracţiunii Partidului Democrat din Moldova, funcție la care renunță în iulie 2019, pentru că "uneori trebuie să știi să te retragi, să reflectezi asupra stării de lucruri de moment, ca să reușești apoi să iei decizii care ar avantaja echipa din care faci parte."

Pe linie de partid, în iunie 2019 preia interimatul funcției de președinte al formațiunii. S-a întâmplat după ce democrații au cedat puterea noii majorități parlamentare, formată de Blocul ACUM și PSRM, iar liderul partidului, Vladimir Plahotniuc, a plecat subit din țară și a anunțat pe pagina sa de Facebook că își depune „mandatul de președinte.”

La 7 septembrie 2019, la Congresul IX extraordinar al PDM, Pavel Filip a fost ales preşedinte al formațiunii.

La alegerile parlamentare anticipate din iulie 2021, PDM nu accede în Parlament. În octombrie același an, la trei luni după înfrângere, Filip anunță că se retrage de la conducerea partidului.

Cei doi copii ai lui Pavel Filip, Iulian și Dumitru, dețin 99% din firma Burex SRL, proprietara rețelei de magazine Ciocoville. Restul capitalului social de 1% îi aparține lui Victor Filip, nepotul lui Pavel Filip.