Cresciuto a Shaker Heights, nei pressi di Cleveland (Ohio), figlio del proprietario di un grande negozio di articoli sportivi (che a sua volta era figlio di emigranti, madre slovacca e padre tedesco ebreo) , si arruolò, appena dopo la High School nella U.S. Navy Air Corps, l'aviazione della Marina, sperando di diventare pilota, ma il daltonismo glielo impedì; durante la seconda guerra mondiale prestò servizio nel Pacifico meridionale come marconista e mitragliere nelle squadriglie di siluranti/bombardieri Avanger (1943-1946). Nella ripresa economica del dopoguerra, si occupò della gestione della ditta paterna; nel 1949 sposò Jackie Witte e decise di intraprendere la carriera cinematografica: Newman somigliava in viso a Marlon Brando, altra stella di Hollywood. Dal matrimonio nacquero tre figli: Scott Allan (1950-1978), Susan Kendall (1953) e Stephanie (1954). Dopo aver frequentato per meno di un anno la scuola d'arte drammatica della Yale University, si iscrisse all'Actor's Studio di New York e debuttò nel 1953 in teatro a Broadway in Picnic, opera poco dopo resa famosa da un omonimo film. Il 1954 segnò il suo esordio cinematografico. Due anni più tardi fu meglio accolta la sua interpretazione del pugile Rocky Graziano in Lassù qualcuno mi ama, che lo impose all'attenzione di critica e pubblico. Il 29 gennaio 1958, a Las Vegas, convolò in seconde nozze con l'attrice Joanne Woodward, con la quale rimase sposato fino alla morte; insieme ebbero tre figlie: Elinor "Nell" Teresa (8 aprile 1959), Melissa "Lissy" Stewart (17 settembre 1961), e Claire "Clea" Olivia (1965). La Woodward recitava con il marito in Missili in giardino e La lunga estate calda: avrebbero interpretato ancora insieme i film Dalla terrazza (1960), Paris Blues (1961), Il mio amore con Samantha (1963), Indianapolis, sfida infernale (1969), Un uomo oggi (1970), Detective Harper: acqua alla gola (1975, sequel di Detective's Story una decina di anni dopo), Mr. and Mrs. Bridge (1990) . Tra la fine degli anni cinquanta e la metà degli anni settanta fu protagonista di alcuni fra i più grandi successi della storia di Hollywood (La gatta sul tetto che scotta, Exodus, Lo spaccone, Hud il selvaggio, Intrigo a Stoccolma, Il sipario strappato, Nick mano fredda, Butch Cassidy, La stangata, L'inferno di cristallo), diventandone una delle stelle più famose di sempre, al punto da essere spesso definito una "leggenda del cinema". Gli fu assegnato l'Oscar alla carriera nel 1986 e, nel 1987, vinse quello al miglior attore protagonista per Il colore dei soldi, sequel dello Spaccone. Nel 1994 ha ricevuto il premio umanitario Jean Hersholt, un particolare premio Oscar attribuito per eccezionali contributi a cause umanitarie. Nel 1995 vinse la 24 Ore di Daytona per la classe GT1, risultando il più anziano pilota di un team vincente per la competizione; l'orologio vinto è stato battuto all'asta nel 1999 e venduto per 39.000 dollari donati in beneficenza. Insieme allo scrittore Aaron Edward Hotchner, nel 1982 ha fondato la "Newman's own", un'azienda alimentare specializzata in produzioni biologiche i cui vengono devoluti in beneficenza per scopi umanitari ed educativi. Nel 1994 è tornato sulle scene cinematografiche col personaggio del cinico industriale di Mister Hula Hoop. Nel 1995, invece, è stato premiato al Festival di Berlino con l’Orso d'argento per La vita a modo mio . Nel 1999 è stato fra gli interpreti del film Le parole che non ti ho detto, l'anno seguente  in Per amore dei soldi, e nel 2002 ha interpretato Era mio padre. Il 25 maggio 2007 l'attore ha dichiarato in un'intervista alla rete televisiva ABC la sua decisione di ritirarsi dalle scene, considerandosi troppo vecchio per continuare a recitare. Il 31 luglio 2008 è stata data ufficialmente notizia di una diagnosi di cancro ai polmoni, effettuata da uno dei maggiori centri negli USA per la lotta ai tumori. Dopo aver scelto di smettere le cure, si è ritirato a vita privata per passare gli ultimi giorni di vita con la famiglia. Il 26 settembre 2008 l'attore muore nella sua casa di Westport (Connecticut). Aveva 83 anni.