Paul Dubois est le fils de François Antoine Dubois (1798-1868), notaire royal, maire de Nogent-sur-Seine et conseiller général de l'Aube, et le petit-neveu du sculpteur Jean-Baptiste PigalleP 1. Après des études de droit, il est admis à l'École des beaux-arts de Paris dans l'atelier d'Armand Toussaint, puis il se rend à Rome. Il débute au Salonde 1860 en exposant le Buste de la comtesse de B. et un Enfant. Il obtient une médaille pour ses deux premières statues Saint Jean-Baptiste et Narcisse au bainen 1863.
Profondément influencé par l'Italie et l'art de la Renaissance, il devient chef de file des sculpteurs dits « florentins », émules de leurs prédécesseurs du QuattrocentoP 2.
De retour à Paris, il rencontre un vif succès avec le Chanteur florentin du xve siècle et remporte la médaille d'honneur du Salon de 1865.
Paul Dubois se lie d'amitié avec d'autres sculpteurs, Henri Chapu(1833-1891), Alexandre Falguière(1831-1900) et des musiciens comme Georges Bizet (1838-1875).
Le duc d'Aumale lui commande la statue équestre du connétable Anne de Montmorency située au centre de l'esplanade menant à l'entrée du château de Chantilly.
Une de ses œuvres majeures est la statuaire du Cénotaphe du général de Lamoricière à la cathédrale de Nantes. Dubois est chargé de sculpter les quatre statues en bronze qui encadrent le mausolée, elles sont notamment inspirées des allégories du tombeau des Médicis à Florence. Il expose deux de ces figures, La Charité et La Sagesse, au Salon de 1877.
En 1865 et 1876, il obtient une médaille d'honneur au Salon des beaux-arts. Il est membre de l'Académie des beaux-arts.
En 1873, Dubois est nommé conservateur du musée du Luxembourg. En 1878 il succède à Eugène Guillaume comme directeur de l'École des beaux-arts de Paris.
Il a pour élèves Fabio Stecchi et Camille Claudel jusqu'à la rencontre de celle-ci avec Auguste Rodin en 1884P 3.
Son Monument à Jeanne d'Arc, inauguré sur le parvis de la cathédrale de Reims, le 14 juillet 1896, contribue également à sa renommée et lui vaut d'être promu grand-croix de la Légion d'honneur2 par le président de la République Félix Faure.
Monument funéraire de Paul Dubois, orné d'une statue de sa mère sculptée par l'artiste, Paris, cimetière du Père-Lachaise.
Paul Dubois meurt le 23 mai 1905 à Paris. Il repose au cimetière du Père-Lachaise, (9e division). Son monument funéraire est orné d'une statue en bronze du sculpteur représentant sa mère, Claudine Sophie3.
Gendre d'Alphonse Pelletier, directeur de l'administration générale à la préfecture de la Seine, il est le père de Francis Paul-Dubois (1864-1953) - gendre de Godefroy Cavaignac - et de Louis Paul-Dubois (1868-1937) - gendre d'Hippolyte Taine4, ainsi que le grand-père de Bernardine Melchior Bonnet.