Paul Frederik blev født den 19. september 1852 i Ludwigslust i Mecklenburg som andet barn og anden søn af den senere Storhertug Frederik Frans 2. af Mecklenburg-Schwerin i hans første ægteskab med Prinsesse Augusta af Reuss-Köstritz.  Fra 1870 til 1876 tjente han, først som løjtnant, derefter som ritmester, i husar-regimentet von Zieten i den preussiske hær. Paul Frederik giftede sig 5. maj 1881 i Schwerin med sin kusine Prinsesse Marie af Windisch-Graetz, datter af Fyrst Hugo af Windisch-Graetz og Hertuginde Louise af Mecklenburg-Schwerin. De fik fem børn, der, selv om Huset Mecklenburg var protestantisk, alle blev opdraget i den Romersk-katolske tro, da hertuginde Marie var katolik. I 1887 konverterede Paul Frederik selv til katolicismen. Parret levede et stilfærdigt liv i Venedig, hvor de blev venner med Kardinal Sarto, den senere Pave Pius 10., der ofte besøgte familien og fungerede som deres spirituelle rådgiver. I 1884 frasagde Paul Frederiks fader sig sin arveret til Storhertugdømmet Mecklenburg-Schwerin for sig og sine sønner til fordel for sine yngre brødre. Dog kunne Hertug Paul Frederik og hans efterkommere fortsat arve tronen, hvis resten af Huset Mecklenburg uddøde, dog under forudsætning af at de konverterede fra katolicismen til protestantismen.  Han og hertuginde Marie blev umyndiggjort og sat under økonomisk administration af det mecklenburgske hof i 1906, da hans nevø, Storhertug Frederik Frans 4. blev chokeret over deres pengeforbrug. Hertug Paul Frederik døde den 17. maj 1923 i Ludwigslust.