17 июня 1889 года в Санкт-Петербурге состоялось бракосочетание Павла Александровича и его двоюродной племянницы — греческой принцессы Александры Георгиевны (1870—1891); старшей дочери короля Эллинов Георга I и великой княгини Ольги Константиновны, двоюродной сестры Павла Александровича.
Дети:
великая княжна Мария Павловна (1890—1958), замужем в 1 браке (1908—1914) за Вильгельмом, герцогом Сёдерманландским (сыном короля Швеции Густава V), от этого брака родился сын Леннарт, во 2-м (с 1917) — за князем Сергеем Михайловичем Путятиным; сын Роман.
великий князь Дмитрий Павлович (1891—1942). Супруга — Одри Эмери (с ноября 1926 по 1937 год), сын Павел (родился в 1928 году).
Мать Марии и Дмитрия — Александра Георгиевна — умерла 12 сентября 1891 года вследствие преждевременных родов в возрасте 20 лет. Дети воспитывались в бездетной семье брата Павла Александровича, великого князя Сергея Александровича, и его супруги — великой княгини Елизаветы Фёдоровны.
После этого супруги не смогли вернуться в Россию до начала Первой мировой войны. В 1904 году Ольга Валериановна получила для себя и детей баварский титул графов фон Гогенфельзен, а 28 августа 1915 года — российский титул князей Палей.
Владел дворцом в СПб. (Английская наб., д. 66-68 — Галерная ул., д. 69; куплен у наследников барона Штиглица), имением Репьевка в Симбирской губ., особняком в Булонь-сюр-Сен (ул. Виктора Гюго, д. 2) во Франции. Второй жене принадлежал дворец в Царском Селе (бывшая дача А. А. Половцова в Пашковом пер.).
21 марта (3 апреля) 1917 года лишён звания генерал-адъютанта в связи с упразднением всех военно-придворных званий[1].
31 марта (13 апреля) 1917 года числящийся по гвардейской кавалерии, инспектор войск гвардии, генерал от кавалерии великий князь Павел Александрович уволен, по прошению, от службы, с мундиром[2].
В марте 1918 года был сослан на Урал сын Павла Александровича Владимир Палей, который был казнён 18 июля того же года под Алапаевском.
Был арестован в августе 1918 года и водворён в тюрьму в Петрограде. 9 января 1919 года Президиум ВЧК (в заседании участвовали Петерс, Лацис, Ксенофонтов и секретарь Мурнек) вынес постановление: «Приговор ВЧК к лицам бывшей императорской своры — утвердить, сообщив об этом в ЦИК»[3][4]. 29 января 1919 года переведён в Петропавловскую крепость, где уже находились его двоюродные братья — великие князья Дмитрий Константинович, Николай Михайлович и Георгий Михайлович. Все четверо расстреляны рано утром следующего дня как заложники в ответ на убийство Розы Люксембург и Карла Либкнехта в Германии. Командовал экзекуционным отрядом некий Гордиенко, тюремный надзиратель, получавший в своё время ценные подарки из Кабинета Его Величества[5]. Вероятно, погребён в братской могиле на территории Заячьего острова[6].
Жена великого князя, княгиня Ольга Палей, писала[6]:
Один старый тюремный служитель, видевший казнь, рассказал… В среду Павла одного привезли на Гороховую и продержали до десяти вечера. Потом объявили, что увозят без вещей. С Гороховой привезли в Петропавловку. Трёх других великих князей доставили со Шпалерной. Всех вместе отвели в тюрьму Трубецкого бастиона. В три ночи солдаты, по фамилиям Благовидов и Соловьёв, вывели их голыми по пояс и провели на территорию Монетного двора, где у крепостной стены напротив собора была вырыта общая могила, в которой уже лежали тринадцать трупов. Поставили князей на краю и открыли по ним стрельбу. За миг до выстрелов служитель слышал, как великий князь Павел произнёс громко:
— Господи, прости им, ибо не знают, что делают.
Сообщение о расстреле великих князей было опубликовано 31 января 1919 года в «Петроградской правде»[6].
Дядя Павел, Великий Князь Павел Александрович был самым симпатичным из четырёх дядей Царя, хотя и был несколько высокомерен — черта характера, заимствованная им у брата, Сергея, благодаря их близости. Он хорошо танцевал, пользовался успехом у женщин и был очень интересен в своем тёмно-зелёном, с серебром, доломане, малиновых рейтузах и ботиках Гродненского гусара. Беззаботная жизнь кавалерийского офицера его вполне удовлетворяла. Великий Князь Павел никогда не занимал ответственного поста. Его первая супруга — принцесса греческая — умерла в молодости, и во второй раз он женился на разведённой жене одного полковника, дважды нарушив традиции Царской Фамилии, так как Великие Князья не могли жениться на особах неравнородных, то есть не принадлежавших к владетельным домам Европы, а женщины, состоявшие в разводе, не имели права приезда ко двору. В виду этого он должен был покинуть пределы России и переселиться на неопределённое время в Париж. Мне, лично, думается, что Великий Князь Павел, встречаясь в своём вынужденном изгнании с выдающимися людьми, от этого только выиграл. Это отразилось на складе его характера и обнаружило в нём человеческие черты, скрытые раньше под маской высокомерия. Во время мировой войны он командовал Гвардейским Корпусом на германском фронте, но на государственные дела никакого влияния не имел.