Родился в Тюмени 13 (1) декабря 1886 года. В 1905 году окончил Александровское реальное училище, рисовальный класс первым учеником и поступил в Петербургскую академию художеств.
В начале июня 1918 года, когда чехи захватили Омск и направились к Тюмени, навстречу им вышел из нашего города отряд членов Социалистического союза молодежи (предшественника комсомола) – 200 не обученных военному делу добровольцев. В их числе был и молодой Россомахин. Он уцелел в боях на левом берегу Иртыша, у железнодорожной станции Марьяновка, и вернулся в Тюмень.
После октябрьского переворота 1917 года принял сторону большевиков, встречался с Лениным. Учительствовал в Тюмени и Туринске до изгнания колчаковцев. Возвратился в армию в 1920 году. Павел Афанасьевич назначен ответственным секретарем Тюменского уездного комитета ВКП(б) в 1924 году. Далее он становится заведующим губернским отделом народного образования, директором школы, директором краеведческого музея.
Павел Афанасьевич занимался краеведением, археологией, собирал коллекции для краеведческого музея, писал картины. В 1934 году он стал членом Союза художников СССР, в 1937-м был арестован, но вскоре выпущен на свободу.
Разносторонняя и насыщенная общественная деятельность не мешала художнику активно творчески работать. Талант Павла Россомахина более всего проявился в жанре пейзажа. Так, особое место в его творчестве занимали кавказские мотивы. Природа Кавказа: вершины перламутровых гор и долины, ущелья и водопады, морс, цветущие деревья – впервые запечатленная им в небольших по размерам живописных этюдах еще в 1910-е годы и позднее будет присутствовать в его работах.
В многочисленных работах, объединенных Россомахиным в единую серию «Времена года», он с тонким мастерством и любовью передает неповторимую красоту и своеобразие сибирской природы: то полыхающей в золотых красках осени, то в пене цветущих яблонь и сирени.
В июле 1941 года Россомахин добровольцем ушел на фронт. Демобилизовался только в 1947 году.
Награжден орденом Великой Отечественной войны, медалью «За освобождение Варшавы». Умер в Тюмени в 1956 году.
