Pau Vila i Dinarès neix el 29 de juny de l'any 1881 a Sabadell en el si d'una família de teixidors. Deixa els estudis per dedicar-se a l'ofici familiar, però no abandona la vocació de pedagog i, l'any 1905, després d'uns contactes que no acaben de prosperar amb Ferrer i Guàrdia i la seva Escola Moderna, funda l'Escola Horaciana. De tarannà inquiet i emprenedor, se'n va l'any 1912 a Ginebra per diplomar-se a l'École des Sciences de l'Education, on referma definitivament la seva orientació cap a la geografia: hi contribueix el descobriment de l'escola geogràfica francesa de P. Vidal de la Blanche i J. Brunhes.

L'any 1915 es desplaça per qüestions laborals a Colòmbia, concretament a dirigir el Gimnasio Moderno, institució acadèmica que renova en profunditat. Aquell mateix any publica a Barcelona el seu primer llibre, La geografía física y astronómica, amb el qual associa geografia i pedagogia. De tornada a Catalunya, el 1918, comença a ensenyar geografia als Estudis Normals de la Mancomunitat, però li falta formació científica, que va a buscar el 1923 a l'Institut de Géographie Alpine de Grenoble, dirigit per R. Blanchard. Acaba aquests estudis amb el treball Assaig de geografia humana de la muntanya (1925), que suposa el començament de la seva dedicació intensiva a la interpretació geogràfica de Catalunya.

Les seves preferències s'encaminen cap a l'aplicació de la geografia moderna en l'àmbit comarcal, per la qual cosa va publicant a partir de 1926 llibres com La Cerdanya, Les marques de Ponent, estudi sobre les comarques de l'abans anomenada Catalunya aragonesa, Comarca del Vallès i, sobretot, el Resum de geografia de Catalunya, publicat en nou petits volums de 1926 a 1935. Segons el pròleg, havia de ser el resum de la primera part d'una "Geografia general de Catalunya, València i Balears" que no s'arriba a editar mai. D'altra banda, en aquesta mateixa època publica una col·lecció de mapes escolars i articles geogràfics a La Publicitat (1929-1938).

De la mateixa manera que, atesa la seva gran vocació cívica, col·labora amb la Mancomunitat, també ho fa amb el govern de la Generalitat republicana. Fruit d'aquesta col·laboració són els treballs de la seva obra cabdal, La divisió territorial de Catalunya, publicada entre 1932 i 1937, de la gènesi de la qual diu l'autor: "La necessitat d'una divisió territorial basada en les comarques s'imposà als homes de govern tantost el règim republicà fou consolidat i la planificació del govern autonòmic de Catalunya anava fent via. Calia preparar el projecte d'una estructuració del país que respongués a les realitats de la terra, a fi que un cop aprovat l'estatut autonòmic de Catalunya pogués donar-se l'estructuració demarcacional més apropiada a les seves necessitats i conveniències." (Pau Vila. La divisió territorial de Catalunya. Selecció d'escrits de geografia. Barcelona: Curial, 1977).

Paral·lelament, Pau Vila exercia de catedràtic i professor de diverses escoles i institucions, i també de president del Centre Excursionista de Catalunya i de la Societat Catalana de Geografia. Durant la Guerra Civil espanyola, la Generalitat de Catalunya li publica La fesomia gràfica de Catalunya, destinada als combatents, i el Centre Excursionista de Catalunya, diversos llibres de divulgació.

Amb la fi de la guerra s'exilia a Bogotà, ciutat que ja coneixia, on exerceix de professor a l'Escuela Normal Superior fins al 1946, any en què és reclamat per l'administració veneçolana perquè fundi el departament de geografia i història a l'Instituto Pedagógico de Caracas. Viu gran part de la seva vida a Veneçuela, fins i tot n'adquireix la nacionalitat. Hi treballa fins que es jubila, l'any 1961. L'obra més important que hi dedica és Geografía de Venezuela, en dos volums, el primer dels quals va redactar sol, i el segon, amb deixebles veneçolans. També destaquen els estudis Las características fisiográficas del Orinoco i Visiones geohistóricas de Venezuela.

Sense deixar de passar temporades a Veneçuela, l'any 1965 torna a Catalunya, i aquí inicia encara una nova etapa centrada en la geografia urbana de Barcelona. El primer any de la seva tornada ja escriu un article polèmic, "Origen i evolució de la Rambla barcelonina", i el 1974 publica Barcelona i la seva rodalia al llarg del temps, obra de la qual ja havia aparegut una versió resumida, El Barcelonès i Barcelona ciutat, dins Geografia de Catalunya de Solé i Sabarís, a la redacció de la qual s'incorpora l'any 1968. També publica reculls d'articles de temes diversos com ara els que feien referència a la Barcelona de Veneçuela: Joan Orpí, l'home de la Nova Catalunya (1967), o El obispo Martí (1980).

Des de 1969 és membre de l'Institut d'Estudis Catalans, dins la nova secció de Filosofia i Ciències Socials; el 1976 rep el Premi d'Honor de les Lletres Catalanes, i el 1979 és investit Doctor Honoris Causa per la Universitat Autònoma de Barcelona.

Mor a Barcelona el 15 d'agost de 1980, a l'edat de 99 anys. L'any següent l'Institut de Ciències de l'Educació de la Universitat de Barcelona institueix el premi Pau Vila de Geografia.