Nacque a Roma da suo padre, Domenico, e sua madre, Matilde Farrajoni. I registri parrocchiali elencano il nome a volte come Meo, ma Mei è stato usato per tutta la vita. Suo padre morì quando Paolo aveva tre anni, e sua madre morì quando lui aveva 19 anni; questo gli ha lasciato ereditare poco in termini di risorse finanziarie. La sua formazione iniziale fu sotto Tommaso Minardi , poi professore all'Accademia di San Luca a Roma. Nel 1856 aveva stretto una forte amicizia con il pittore Cesare Fracassini , che lo avrebbe aiutato a ottenere molte commissioni. Collaborò spesso anche con Cesare Mariani . Nel 1859 contribuì a decorare le stanze di Palazzo Raffaelli a Cingoli , in provincia di Macerata . Dipinse anche a Tivoli e Civitavecchia . Tra le sue opere per le chiese ci sono: Cappella dell'Angelo Custode nella chiesa di Santa Maria in Aquiro ; Cappella del Crocifisso nella chiesa di Santa Lucia del Gonfalone ; soffitto e pareti laterali: restano solo le pareti, raffiguranti la Madonna Addolorata; Pala (1869) per la quarta cappella a sinistra nella chiesa di Santa Maria della Pace ; completò una tela di Cesare Fracassini. L'esecuzione di S. Stefano e parte di S. Lorenzo presenta i beni della sua chiesa al prefetto di Roma per la Basilica di S. Lorenzo fuori le Mura sia su disegno che parzialmente completata dal Fracassini prima della sua morte. Nel 1860 fornì alcuni disegni per l'incisore Giuseppe Marcucci . Dipinse una serie di piccole tele con scene di vita nell'antica Roma (chiamate anche temi neopompei). Nel 1865 si recò a Napoli , dove prese contatti con Domenico Morelli . Dopo la morte del Minardi nel 1871, completò alcuni degli affreschi ( Arte e Poesia ) nel portico del cimitero di Verano ( Campo Verano ) a Roma. Guglielmo De Sanctis ha completato gli altri due. È sepolto in questo cimitero. Nel 1893 fu ammesso come membro della Congregazione pontificia de' Virtuosi del Pantheon. Mei morì a Roma il 21 marzo 1900.