В начале 2007 перешёл в ЦСКА, был заявлен летом. Дебютировал 29 июля 2007 в домашнем матче против клуба «Химки», выйдя в основном составе[9]. Первый гол за ЦСКА забил в матче против раменского «Сатурна» 10 августа 2008 года[10].
В октябре 2011 Мамаев по дисциплинарным причинам был переведён в молодёжный состав ЦСКА[11].
В 2012 году вёл переговоры с несколькими европейскими клубами по поводу своего трансфера[12], в частности, его трансфер в «Манчестер Юнайтед» был готов на 80 %[13] — у него уже был подписан контракт, а потом выяснилось, что не хватает матчей за сборную[14][15]. С тех пор Мамаев перестал проходить в основной состав своей команды и в итоге был отдан в аренду (с правом выкупа контракта) в «Краснодар»[16], где стал игроком основного состава. Смог отличиться в игре против ЦСКА 27 октября 2013 года (5:1), забив «гол престижа»[17]. «Краснодар» планировал выкупить контракт футболиста у московского клуба[18], что и сделал по окончании осенней части чемпионата[19][20]. 16 апреля в полуфинале Кубка России против ЦСКА (0:1), который закончился победой «Краснодара», получил разрыв ахиллова сухожилия и выбыл из игры на пять месяцев. 2 октября 2014 года вернулся на поле в матче с «Эвертоном».
20 сентября 2019 года «Краснодар» расторг контракт с Мамаевым по взаимному согласию сторон[21].
28 сентября 2019 года Мамаев заключил двухлетний контракт с клубом «Ростов»[22].
17 ноября 2019 года впервые вышел на футбольное поле в товарищеском матче против «Краснодара», провёл 53 минуты, после чего был заменен. В официальных матчах он не мог принимать участие до второго круга чемпионата России, так как не был заявлен в установленное время[23].
9 марта 2020 года в своём первом официальном матче за «Ростов» против ЦСКА вышел на замену и через пять минут отличился с передачи Эльдора Шомуродова, принеся победу команде 3:2[24].
В декабре 2021 года «Химки» объявили о подписании контракта.[25] Мамаев провёл одну игру в чемпионате, после чего завершил игровую карьеру[5].
В июне 2023 года стал участником и впоследствии победителем реалити-шоу «Выжить в Дубае» на телеканале «ТНТ».
Выступления за сборную
В мае 2009 года впервые получил вызов в основную сборную страны[26]. 17 ноября 2010 года дебютировал в составе национальной сборной России против сборной Бельгии. Играл на чемпионате Европы 2016 года.
До 2013 года Мамаев несколько лет находился в гражданском браке с Юлией Евтух. Долгое время была информация, что у них есть дочь Евгения. Однако в интервью журналу «Караван историй» Евтух это опровергла[28].
С 2013 года был женат на осетинке Алане Мамаевой (в девичестве Хубецова), бывшей модели. Дочь Алиса[29].
Мамаев имеет татуировки, на спине — два дракона, номер 17 римскими цифрами (его дата рождения) и надпись на английском — «Забудь прошлое. Не думай о будущем. Живи настоящим». Алана Мамаева поместила на спине аналогичные слова и изображение лошади. Мамаев полностью забил татуировками также обе руки[30]. В марте 2021 года Алана Мамаева обвинила мужа в измене и объявила о разводе[31][32][33].
25 декабря 2021 года Мамаев сделал предложение ведущей шоу на YouTube «Точки NadИ» Надежде Санько. В январе 2022 года они поженились[34]. 17 июня того же года у пары родился сын Тимофей[35].
Скандалы
Конфликты в сборной и клубах
В 2013 году долгое время обсуждался уход Павла Мамаева из ЦСКА, якобы сопровождающийся конфликтом с главным тренером Леонидом Слуцким. Мамаев в интервью отметил, что у них с тренером действительно есть проблемы в общении, но призвал не раздувать их до масштаба конфликта[36].
В 2016 году Мамаев снова встретился со Слуцким, только уже в составе национальной сборной. На последнем групповом матче с Уэльсом Павел появился на поле с рассечённой бровью. По официальной версии, Мамаев рассёк бровь во время занятий в тренажерном зале[37]. Но этим объяснениям ни зрители, ни журналисты не поверили. Сразу поползли слухи, что это произошло из-за конфликта с тренером. После проигранного словакам (1:2) матча второго тура группового этапа Евро-2016 Мамаев зашёл в раздевалку и принялся вслух возмущаться тем, что Леонид Слуцкий выпустил его только во втором тайме, поставив в стартовый состав «это г-но» (указав при этом на Романа Нойштедтера). Присутствовавший при этом тренер сдержал свои эмоции, предложив полузащитнику успокоиться и извиниться перед всеми футболистами. Однако Мамаев этого не сделал и на следующий день продолжил открытую конфронтацию с наставником. Как утверждал свидетель конфликта, Мамаев продолжил обструкцию тренера на плановой тренировке в тренажерном зале, за что получил удар в глаз от партнёра по команде Романа Широкова. Однако позже Денис Глушаков рассказал, что конфликт с Широковым был у него. По словам Глушакова, он хотел ударить Широкова, но кто-то из партнёров по сборной, желая остановить конфликт, слегка подтолкнул его, и удар случайно достался Мамаеву[38].
Как бы то ни было, в итоге Павел получил место в стартовом составе на следующей игре с Уэльсом (0:3), где проявить себя не сумел.
В начале июля 2016 года большой резонанс в СМИ получило видео шумной вечеринки с шампанским и кальяном в ночном клубе Twiga в Монте-Карло, в которой принимал участие Мамаев. Руководство ФК «Краснодар» сочло такое поведение «возмутительным и недопустимым» и 5 июля Мамаев был переведён в состав «Краснодара-2»[39].
8 октября 2018 года вместе с нападающим «Зенита» Александром Кокориным стал участником избиения чиновника Минпромторга России Дениса Пака в одном из кафе Москвы, а за несколько часов до этого — гражданина Белоруссии Виталия Соловчука, персонального водителя сотрудницы «Первого канала» Ольги Ушаковой[40]. По обоим эпизодам полиция завела уголовное дело по статье 116 УК РФ «побои»[41]. На следующий день пресс-служба ФК «Краснодар» опубликовала заявление о желании расторгнуть контракт с игроком, обещая применить все возможные дисциплинарные санкции, предусмотренные контрактом[42][43]. По фактам избиений было возбуждено уголовное дело, Мамаев с Кокориным были вызваны на допрос в полицию[44]. 10 октября 2018 года МВД России переквалифицировало статью «побои» в отношении Мамаева на статью 213 УК РФ «хулиганство»[45]. 23 июня 2021 года суд обязал Мамаева выплатить 50 000 рублей избитому водителю Виталию Соловчуку в качестве компенсации морального вреда[46].
15 ноября 2018 Главное следственное управление ГУ МВД России после вмешательства прокуратуры Москвы, выявившей нарушения законодательства при первоначальном предъявлении обвинений изменило обвинения. Одновременно защита Мамаева подала ходатайство в суд об изменении ему меры пресечения на освобождение под залог[51].
14 февраля 2019 года сыграл матч в стенах СИЗО «Бутырка». Провёл по тайму за обе команды, забил 7 мячей. Итоговый счёт 8:7[52].
8 мая 2019 года стало известно, что Пресненский районный суд города Москвы приговорил футболиста Павла Мамаева к одному году и пяти месяцам лишения свободы с отбыванием наказания в колонии общего режима[53].
4 июля 2019 года был этапирован в колонию Белгородской области[54]. 17 сентября 2019 года был освобождён по УДО из колонии общего режима.