Павел Сорокин родился в 1963 году в семье артистов Большого театра – певицы Тамары Сорокиной и танцовщика Шамиля Ягудина. Окончил с отличием Московскую государственную консерваторию имени П. И. Чайковского по специальностям «фортепиано» (класс профессора Льва Наумова, 1985) и «оперно-симфоническое дирижирование» (класс профессора Юрия Симонова, 1989). В 1987–1989 годах стажировался в Парижской консерватории у профессора Жан-Себастьяна Беро, затем (в рамках Тэнглвудского фестиваля) – в Бостонском симфоническом оркестре под руководством Леонарда Бернстайна и Сейдзи Озавы.
В 1989 году был принят в Большой театр России, где осуществил постановки оперы «Иоланта» Чайковского, балетов «Корсар» Адана, «Баядерка» Минкуса, «Сильфида» Левенскольда, «Дама с камелиями» на музыку Шопена, «Лебединое озеро» Чайковского (восстановленная версия первой постановки Юрия Григоровича) и «Онегин» на музыку Чайковского, «Раймонда» Глазунова, Dream of Dream на музыку Рахманинова, «Драгоценности» на музыку Форе, Стравинского и Чайковского, «Петрушка» и «Аполлон Мусагет» Стравинского, «Блудный сын» Прокофьева и «Классическая симфония» на музыку Прокофьева, «Светлый ручей» и «Болт» Шостаковича, «Пламя Парижа» Асафьева, «Легенда о любви» Меликова. В июне 2022 года представил новую сценическую версию балета Валерия Гаврилина «Анюта».
В обширном репертуаре дирижера – оперы «Жизнь за царя» Глинки, «Опричник», «Орлеанская дева», «Евгений Онегин» и «Пиковая дама» Чайковского, «Князь Игорь» Бородина, «Борис Годунов» и «Хованщина» Мусоргского, «Царская невеста», «Моцарт и Сальери» и «Золотой петушок» Римского-Корсакова, «Франческа да Римини» Рахманинова, «Обручение в монастыре» и «Игрок» Прокофьева, «Севильский цирюльник» Россини, «Травиата», «Бал-маскарад» и «Макбет» Верди; балеты «Жизель» Адана, «Коппелия» Делиба, «Шопениана», «Щелкунчик» и «Спящая красавица» Чайковского, «Золотой век» Шостаковича, «Иван Грозный» на музыку Прокофьева, «Спартак» Хачатуряна, «Эскизы» Шнитке, «Кармен-сюита» Бизе – Щедрина; симфонические произведения отечественных и зарубежных композиторов, музыка современных авторов.
В 1996 году Павел Сорокин ассистировал Мстиславу Ростроповичу во время постановки в Большом театре оперы «Хованщина» Мусоргского в редакции Шостаковича; в дальнейшем вел этот спектакль.
Среди коллективов, с которыми сотрудничал дирижер, – оркестры Московской и Санкт-Петербургской филармоний, Российский национальный оркестр, Национальный филармонический оркестр России, Московский государственный академический симфонический оркестр под управлением Павла Когана. В 2000–2002 гг. был главным дирижером Государственного симфонического оркестра радио и телевидения, в 2003–2007 гг. – Симфонического оркестра России под руководством Вероники Дударовой. С 2007 по 2022 годы – приглашенный дирижер лондонского Королевского театра Ковент-Гарден.
Номинировался на Национальную театральную премию «Золотая маска – 2009» за балет «Пламя Парижа» Асафьева (постановка Алексея Ратманского).
В дискографии дирижера – записи произведений Чайковского, Рахманинова, Грига, осуществленные с Академическим симфоническим оркестром Московской филармонии и ГСО радио и телевидения. В 2014 году с Квинслендским симфоническим оркестром записал балет «Щелкунчик» Чайковского.
В 1997 году Павлу Сорокину присвоено почетное звание «Заслуженный артист России».
