Alessandro Farnese nacque a Canino, nella Maremma laziale (oggi provincia di Viterbo), figlio di Pier Luigi I Farnese, signore di Montalto (1435-1487) e Giovannella Caetani, discendente dalla famiglia di Gelasio II e Bonifacio VIII. Egli era il terzo di cinque figli, il primo dei maschi.
Ricevette la prima formazione umanistica a Roma. I suoi precettori furono: l'umanista Pomponio Leto per le lettere antiche, la storia e la cultura classica; lo scienziato Alberto Piglio per le discipline matematiche e scientifiche. Ma nella Città eterna la sua condotta fu riprovevole. Dopo essere stato per un certo periodo in carcere, venne allontanato dall'Urbe. La famiglia lo inviò alla corte di Lorenzo de' Medici. A Firenze poté assistere alle lezioni di Marsilio Ficino, conobbe Giovanni Pico della Mirandola e incontrò il fior fiore dei rampolli della nobiltà italiana: futuri papi, re, duchi, cardinali, artisti, letterati e poeti. Alla corte medicea fece anche la conoscenza di Giovanni e Giulio de' Medici (entrambi lo precederanno come papi).
Tornato a Roma, andò al servizio di papa Innocenzo VIII, che gli assegnò l'ufficio di protonotario apostolico. Papa Alessandro VI lo nominò cardinale. La sorella di Alessandro, Giulia Farnese, era la favorita di papa Borgia. Nel 1495 Alessandro ereditò la carica di Legato pontificio di Viterbo. Nel 1502 fu nominato legato della Marca anconitana. Lasciò la legazione nel 1509. Gli anni successivi passarono tra la corte di papa Medici e i possedimenti della famiglia. Nel 1513 fu avviata la costruzione di Palazzo Farnese a Roma.
Non era presente a Roma nei giorni del Sacco dei lanzichenecchi (1527). Nel settembre dello stesso anno si stabilì a Parma, della cui diocesi era vescovo. Il 1º giugno 1528 entrò con papa Clemente VII a Viterbo.
Il 13 dicembre 1532 accompagnò Carlo V d'Asburgo nel suo ingresso a Bologna, dove incontrò papa Clemente VII.
Alessandro Farnese fu ordinato sacerdote il 26 giugno 1519 e fu consacrato vescovo il 2 luglio successivo da Leone X. Celebrò la sua prima Messa il 25 dicembre dello stesso anno. Nel 1512 fu tra i rappresentanti del papa al Concilio Lateranense V. Come vescovo di Parma, tenne un sinodo nella città ducale, dove iniziò ad applicare i decreti del concilio lateranense.
Come cardinale partecipò a sei conclavi, dal 1503 al 1534; la sua influenza si accrebbe nel tempo. Pose la tiara papale sul capo di Leone X nel 1513 e presenziò alla cerimonia di incoronazione di Carlo V d'Asburgo a imperatore nel 1530.
Paolo III appoggiò l'imperatore del Sacro Romano impero e lo incoraggiò nello scontro con il re di Francia, l'ugonotto Francesco I. Nel 1540 inviò come nunzio in Germania il cardinale Giovanni Gerolamo Morone, affiancato l'anno seguente dal cardinale Gasparo Contarini.
Nel gennaio 1546 il pontefice sospese dal suo incarico il cardinale Hermann von Wied, arcivescovo di Colonia ed elettore sin dal 1515. In aprile lo scomunicò.
Il 17 dicembre 1538 il pontefice scomunicò il re d'Inghilterra Enrico VIII e lo pose sotto interdetto. Successivamento tentò di formare una coalizione di re cattolici contro l'Inghilterra, ma i monarchi dei due principali stati dell'epoca (Francia e Impero), in contrasto tra loro, ne impedirono la realizzazione.
Nel 1534 tutta l'Europa era attraversata da laceranti tensioni religiose. Si rendeva necessaria un'azione decisa del nuovo pontefice, e di tutta la Chiesa cattolica, a causa del diffondersi della Riforma protestante. In primo luogo Paolo III allargò il collegio cardinalizio con l'inserimento di figure che, in modo diverso, erano favorevoli ad una riforma cattolica: Gasparo Contarini, Gian Pietro Carafa, Giovanni Gerolamo Morone e l'inglese Reginald Pole.
Il pontefice aveva bisogno che Francia e Germania assicurassero la propria neutralità, cioè che non influenzassero i lavori del concilio. A questo fine, nel 1537 effettuò una visita ufficiale presso l'imperatore Carlo V d'Asburgo, cui promise che la sede del concilio sarebbe stata Mantova. Ma il duca della città lombarda fece mancare il proprio appoggio: affermò di non poter sostenere le spese di un'assise di livello internazionale. Paolo III scelse allora Vicenza (la Repubblica di Venezia aveva buoni rapporti sia con i tedeschi che con i francesi), ma il concilio non poté iniziare perché nel frattempo era scoppiato un conflitto tra Francia e Impero. Paolo III dovette quindi attendere la cessazione del conflitto.
Il 22 maggio 1542 Paolo III indisse il concilio (bolla Initio nostri) per il 1º ottobre dello stesso anno (Kalendas octobris) a Trento. Trento fu considerata la scelta più opportuna in quanto si trovava a metà strada tra Roma e la Germania ed era sede di un principato vescovile appartenente all'Impero germanico. A causa dello stato di guerra in cui versavano ancora alcune nazioni, il concilio fu sospeso il 6 luglio del 1543. Venne riconvocato l'anno dopo con la bolla Laetare Jerusalem (19 novembre 1544). Il Concilio si aprì solennemente a Trento il 13 dicembre 1545, III domenica di Avvento, nella cattedrale di San Vigilio, a fare gli onori di casa il principe-vescovo Cristoforo Madruzzo. Il pontefice era rappresentato da tre cardinali: Giovanni Ciocchi del Monte, Marcello Cervini e Reginald Pole.
Il Concilio contò inizialmente pochi prelati, quasi tutti italiani, e fu quasi sempre controllato dai delegati pontifici. Per i primi due anni i padri conciliari dibatterono su questioni di carattere procedurale, mancando l'accordo tra il Papa e l'Imperatore: infatti mentre l'Imperatore cercava di portare il dibattito su temi riformisti, il Papa cercava di portarlo, invece, più su temi di carattere teologico.
La scelta di Trento non aveva trovato gradimento a Roma. In curia si era accettata controvoglia la scelta di una città dell'impero germanico; più volte si tentò anche di trasferire il concilio in una città più vicina a Roma, ma si dovette rinunciare all'idea per l'opposizione dell'imperatore. L'occasione giunse nel febbraio 1547 quando scoppiò a Trento un'epidemia di peste. Ciò provocò la partenza di molti prelati italiani: per il papa fu un danno poiché essi erano suoi sostenitori. Prima che il danno divenisse irreparabile i Legati decisero, con la maggioranza dei due terzi, di trasferire la sede del Concilio da Trento a Bologna. Il papa confermò il trasferimento. A Bologna si tennero due sessioni. La prima iniziò nello stesso anno 1547; la seconda si tenne nel 1549.
Durante questo periodo la tensione tra il papa ed l'imperatore salì ulteriormente. I rapporti si inasprirono dapprima per una violenta protesta dell'imperatore (gennaio 1548), poi per il suo agire arbitrario presso la Dieta di Augusta, dove aveva fatto emanare un provvedimento provvisorio, il cosiddetto Interim (30 giugno 1548). Questo documento, tanto dal lato dottrinale come da quello disciplinare, era sostanzialmente cattolico, però concedeva ai protestanti il matrimonio dei preti e il calice ai laici fino a una decisione definitiva del concilio. Della restituzione dei beni ecclesiastici sequestrati non si faceva parola. Il papa ne fu scontentissimo perché vi vedeva un'ingerenza indebita dell'imperatore nella sfera dei diritti ecclesiastici. Per questo agire arbitrario di Carlo V, a cui si aggiungeva la morte del re di Francia Francesco I che privava il pontefice di un forte alleato, il 13 settembre 1549, Paolo III sospese il concilio. Il pontefice non vide la conclusione del concilio, che si protrasse fino al 1563.
Paolo III si dichiarò neutrale nella ultradecennale contesa tra la Francia e l'Impero. Il re di Francia Francesco I, forte di questa neutralità, nel 1536 riprese le ostilità, dando inizio al terzo conflitto con l'Imperatore, che si concluse soltanto due anni dopo, nel 1538, con l'armistizio di Bomy e la Pace di Nizza, che non portarono a nessun risultato, lasciando inalterate le risultanze della Pace di Madrid e della Pace di Cambrai, che avevano concluso i due precedenti conflitti.
Nonostante la tanto attesa convocazione del Concilio, probabilmente a causa del rifiuto protestante di parteciparvi, l'imperatore Carlo V si risolse all'uso delle armi. Tra i regnanti, erano passati dalla sua parte come alleati, oltre suo fratello, re Ferdinando, il duca Guglielmo IV di Baviera, alcuni principi protestanti (tra cui il duca Maurizio di Sassonia), e lo stesso pontefice Paolo III, il quale, in cambio, era riuscito a ottenere l'apertura del Concilio. Il momento sembrò opportuno al pontefice anche per acquisire per suo figlio Pier Luigi i ducati di Parma e Piacenza. Anche se questi appartenevano agli Stati Pontifici, Papa Paolo pensò di avere la meglio sulla riluttanza dei cardinali scambiando i ducati coi meno preziosi domini di Camerino e Nepi. L'imperatore accettò la proposta a causa della prospettata ricompensa di 12.000 unità di fanteria, 500 cavalieri e una considerevole quantità di denaro. Il 17 agosto 1545 Paolo III erigeva il Ducato di Parma e Piacenza in favore del figlio Pier Luigi, del nipote Ottavio e dei loro discendenti maschi e legittimi per ordine di primogenitura.
I soldati promessi da Paolo III furono inviati all'imperatore sotto il comando di Ottavio Farnese. La guerra della Lega di Smalcalda ebbe uno sviluppo molto celere, l'imperatore sconfisse e sciolse definitivamente la Lega nell'aprile del 1547: con questa vittoria l'astro Carlo V fu più rilucente che mai. Ma in realtà il Protestantesimo era vinto solo come organizzazione politico-militare, non come potenza religiosa.
Ma, mentre a nord delle Alpi l'imperatore era stato strumentale al recupero della Germania al Cattolicesimo romano, il Papa si distaccò da lui poiché l'imperatore stesso si era tenuto distante nella questione del riconoscimento di Parma e Piacenza a Pier Luigi, e la situazione giunse a una rottura totale quando il vice-reggente imperiale, Ferrante I Gonzaga, procedette all'espulsione forzata del figlio del Papa. Il duca venne assassinato a Piacenza e Paolo III credette che ciò non potesse essere accaduto all'insaputa dell'imperatore.
Nel 1540 fu incrementata la tassa sul sale nella città Perugia. Nella città scoppiarono delle sommosse (guerra del sale). Paolo III inviò il proprio figlio Pier Luigi Farnese per sedare la rivolta. Perugia perse la propria autonomia e divenne parte integrante dello Stato Pontificio.
Paolo III fu uno dei più grandi mecenati del Rinascimento italiano. Accordò protezioni a dotti e a letterati, fece costruire e restaurare cappelle, chiese e grandi monumenti romani. Durante il suo pontificato fu edificata la Cappella Paolina nel Palazzo Vaticano e fu avviata la costruzione della Sala Regia. Il pontefice promosse un nuovo sviluppo edilizio di Roma, abbellendola con nuove vie e fontane, spendendo cifre elevate per migliorarne la viabilità. La moneta detta giulio, dopo di lui, prese a chiamarsi paolo. Prima ancora dell'elezione al soglio pontificio riuscì a creare quella che oggi è conosciuta come collezione Farnese.
Fu amante dell'astrologia ed ebbe maghi e veggenti tra i suoi cortigiani, che consultava di sovente per ogni piccola cosa, ad esempio per decidere l'ora di una partenza o la data di un Concistoro.
Tra i protagonisti di questa stagione il più grande fu Michelangelo Buonarroti: il genio toscano si stabilì a Roma nel 1534 e visse nella Città Eterna fino alla morte, avvenuta trent'anni dopo. nel 1534 Paolo III gli commissionò il Giudizio universale. In séguito gli affidò molti altri incarichi, tra cui quello di sovrintendente a vita ai lavori della Basilica di San Pietro in Vaticano e la realizzazione della Piazza del Campidoglio.
I pittori Sebastiano Ricci e Tiziano, celeberrimo, eseguirono diversi ritratti di Paolo III.
All'età di ottantun anni la sua salute peggiorò improvvisamente: un violento alterco con i nipoti Ottavio e Alessandro riguardo l'annessione del Ducato di Parma e Piacenza gli causò una grave infermità dalla quale non si risollevò più.
Il 10 novembre 1549, dopo quindici anni di densissimo pontificato, che l'avevano visto protagonista delle vicende europee non solo religiose, Paolo III si spense. Fu sepolto nella Basilica di San Pietro.