Iniciou sua carreira profissional tocando em gafieiras e nos cafés da Praça Tiradentes. Em 1951, passou a atuar com a orquestra de Osvaldo Borba e, mais tarde, integrou a Zacharias e Sua Orquestra. Seu primeiro registro fonográfico foi com a orquestra que acompanhou Dalva de Oliveira na gravação de "Palhaço" (Nelson Cavaquinho). Em 1953, acompanhou Ary Barroso no México, fez parte do Conjunto Maciel e integrou a Orquestra Cipó, na Rádio Tupi. De 1954 a 1956, fez parte do Conjunto Guio de Moraes, com o qual se apresentou na boate Régine. Em 1956, gravou seu primeiro disco como artista solista, um 78 rpm contendo o "Moto perpetuo", de Paganini. Em seguida, formou uma orquestra para bailes, com a qual atuou no Brasil Danças e gravou o LP "Paulo Moura e sua Orquestra para Bailes".Em 1958, assinou a direção musical de um espetáculo apresentado em países socialistas, com Dolores Duran, Nora Ney, Jorge Goulart, Maria Helena Raposo e o Conjunto Farroupilha.Em 1958 e 1959, trabalhou como arranjador e orquestrador na Rádio Nacional. Em 1959, entrou para a Orquestra Sinfônica do Teatro Municipal, como clarinetista, Também nesse ano, gravou o LP "Paulo Moura interpreta Radamés Gnattali". Em 1960, apresentou-se na Argentina com a Orquestra de Severino Araújo. Nesse mesmo ano, lançou o LP "Tangos e boleros". Como saxofonista, fez parte do conjunto Bossa Rio, com o qual se apresentou, em 1962, no Festival de Bossa Nova, realizado em Nova York e, em 1964, gravou no LP "Edison Machado é samba novo". Ainda nos anos 1960, lançou os LPs "Paulo Moura Hepteto" (1968) e "Paulo Moura Quarteto" (1969). Em 1971, gravou o LP "Fibra" e apresentou-se na Grécia. Em 1975, gravou com o percussionista Thiago de Mello, nos Estados Unidos. Lançou, em 1976, o LP "Confusão urbana, suburbana e rural", com o qual se apresentou no exterior. No ano seguinte, gravou os discos "O fino da música", com Canhoto e seu Regional, Fina Flor do Samba, Raul de Barros e Conjunto Atlântico, "Choro na Praça", com Waldir Azevedo, Zé da Velha, Abel Ferreira, Copinha e Joel Nascimento, e "Altamiro Carrilho, Abel Ferreira, Formiga e Paulo Moura interpretam Vivaldi, Weber, Puncell e Villa-Lobos". Na década de 1980, lançou os discos "Consertão" (1982), com Elomar, Arthur Moreira Lima e Heraldo do Monte, "Mistura e manda" (1983), "Clara Sverner e Paulo Moura" (1983), "Encontro" (1984), com Clara Sverner (piano), Turíbio Santos (violão) e Olívia Byington (voz), "Gafieira Etc & Tal" (1986), "Vou vivendo" (1986), com Clara Sverner, "Quarteto Negro" (1987), com Zezé Motta, Djalma Correia e Jorge Degas, e "Clara Sverner e Paulo Moura interpretam Pixinguinha" (1988). No dia 13 de maio de 1988, conduziu a Orquestra Sinfônica de Brasília na apresentação de uma composição para percussão e orquestra, de sua autoria, no "Concerto da Abolição", espetáculo em comemoração ao Centenário da Abolição da Escravatura, seguindo para apresentações na Bahia, Rio Grande do Sul e Espírito Santo, interpretando exclusivamente músicas de compositores brasileiros negros. Lançou, em 1991, o CD "Paulo Moura e Ociladocê interpretam Dorival Caymmi", e, em 1992, os CDs "Dois irmãos", com Raphael Rabello, e "Rio Nocturnes". Em 1992, foi contemplado com o prêmio Sharp, na categoria Melhor Instrumentista Popular, e recebeu o prêmio de Melhor Solista no Festival Mozart, em Moscou. Lançou, em 1993, com Nivaldo Ornelas, o CD "Instrumental no CCBB", e, em 1996, com Wagner Tiso, o CD "Brasil Musical. Série Música Viva". Entre 1996 e 1998, foi presidente da Fundação Museu da Imagem e do Som do Rio de Janeiro. Lançou, em 1998, com Os Batutas, o CD "Pixinguinha", pelo qual recebeu o Prêmio Sharp, nas categorias Melhor CD Instrumental e Melhor Grupo Instrumental, e, em 1999, com Cliff Korman, o CD "Mood ingenuo". Em 2000, sua "Fantasia Urbana para Saxofone e Orquestra Sinfônica" foi apresentada no Teatro Municipal do Rio de Janeiro. Nesse mesmo ano, recebeu o Grammy Latino, na categoria Melhor Disco de Música Regional (ou de Raízes Brasileiras), pelo disco "Pixinguinha", gravado com o grupo Os Batutas. Lançado no exterior pela Blue Jackel Records, o disco figurou entre as indicações da loja virtual Barnes & Noble. Em 2001, participou do projeto Rio Sesc Instrumental, dividindo o palco com Yamandu Costa. Nesse mesmo ano, lançou, pela Pau Brasil, o CD "Paulo Moura visita Gershwin & Jobim", gravação ao vivo de um show realizado em 1998 na inauguração do Teatro Sesc Vila Mariana, em São Paulo, com um septeto instrumental formado por Jerzy Milewsky (violino), Jota Moraes (piano), Cliff Korman (teclados), Nelson Faria (violão e guitarra), Rodolfo Stroeter (baixo) e Pascoal Meirelles (bateria). Ao longo de sua carreira, assinou arranjos para orquestras sinfônicas e para artistas da área popular, como Milton Nascimento, João Bosco, Ney Matogrosso e Marisa Monte, entre outros.Em 2003, lançou o CD "Estação Leopoldina".No ano seguinte, lançou, com o violonista Yamandú Costa, o CD "El negro del blanco".Participou do documentário "Brasileirinho", do finlandês Mika Kaurismaki, uma das atrações da mostra Forum do Festival de Berlim, em 2005. Neste mesmo ano, estreou turnê nacional e internacional do espetáculo "Homenagem a Tom Jobim", ao lado de Armandinho, Yamandú Costa e Marcos Suzano.Em 2006, lançou, com João Donato, o CD "Dois Panos para Manga", concebido em uma reunião na casa do diretor de TV Mario Manga. Nesta oportunidade, foi sugerida aos dois artistas a gravação de um disco que registrasse alguns dos temas degustados pelos freqüentadores do Sinatra-Farney Fã Club na década de 1950. No repertório, "Minha saudade" (João Donato e João Gilberto), "On a Slow Boat to China" (Frank Loesser), "Swanee" (George e Ira Gershwin), "That Old Black Magic" (Harold Arlen e Johnny Mercer), "Tenderly" (Walter Gross e Jack Lawrence), "Saudade mata a gente" (Antonio Almeida e João de Barro), "Copacabana" (Alberto Ribeiro e João de Barro) e ainda "Pixinguinha no Arpoador" e "Sopapo", duas composições inéditas assinadas pelos dois artistas. Nesse mesmo ano, foi lançado o CD “Gafieira Jazz”, compilação de dois álbuns gravados na Itália com o pianista americano Cliff Korman.Lançou, nos anos seguintes, os CDs “Samba de latada” (2007), em parceria com Josildo Sá, “Pra cá e pra lá – Paulo Moura trlha Jobim e Gerschwin” (2008), e “AfroBossaNova” (2009), em parceria com Armandinho.Faleceu no dia 12 de Julho de 2010, no Rio de Janeiro.Em 2012, foi publicado o livro biográfico “Paulo Moura: um solo brasileiro” (Casa da Palavra), de autoria de Halina Grymberg. Nesse mesmo ano, foi lançado o CD “Fruto maduro”, resultado de sua parceria com André Sachs iniciada em 2004, sendo a última gravação realizada no dia 25 de março de 2010, alguns meses antes de seu falecimento. No dia 21 de junho de 2012, foi inaugurado, em São José do Rio Preto (SP) o Teatro Paulo Moura.Em 2013, foi indicado postumamente ao Prêmio da Música Brasileira, na categoria Melhor Álbum Instrumental/Canção Popular, pelo disco “Fruto maduro”, produzido pelo parceiro André Sachs, e na categoria Melhor Solista Instrumental/Canção Popular.