Воспитанник ФШМ. Участник чемпионата Европы 2007 среди юношей до 19 лет. Стал одним из 16 футболистов, кому удалось забить в 17 лет в высшей лиге чемпионата России — 16 апреля 2006 года Павел отличился за «Торпедо» в матче против «Крыльев Советов». В начале 2007 перешёл в ЦСКА, был заявлен летом. Дебютировал 29 июля 2007 в домашнем матче против клуба «Химки», выйдя в основном составе. Первый гол за ЦСКА забил в матче против раменского «Сатурна» 10 августа 2008 года. В октябре 2011 Мамаев по дисциплинарным причинам был переведён в молодёжный состав ЦСКА. В 2012 году вёл переговоры с несколькими европейскими клубами по поводу своего трансфера, в частности, его трансфер в «Манчестер Юнайтед» был готов на 80 % — у него уже был подписан контракт, а потом выяснилось, что не хватает матчей за сборную. С тех пор Мамаев перестал проходить в основной состав своей команды и в итоге был отдан в аренду (с правом выкупа контракта) в «Краснодар», где стал игроком основного состава. Смог отличиться в игре против ЦСКА 27 октября 2013 года (5:1), забив «гол престижа». «Краснодар» планировал выкупить контракт футболиста у московского клуба, что и сделал по окончании осенней части чемпионата. 16 апреля в полуфинале Кубка России против ЦСКА (0:1), который закончился победой «Краснодара», получил разрыв ахиллова сухожилия и выбыл из игры на пять месяцев. 2 октября 2014 года вернулся на поле в матче с «Эвертоном». 20 сентября 2019 года футбольный клуб Краснодар расторг контракт с Мамаевым по взаимному согласию сторон. 28 сентября 2019 года Мамаев заключил двухлетний контракт с футбольным клубом «Ростов». 17 ноября 2019 года впервые вышел на футбольное поле в товарищеском матче своего нового клуба «Ростов» против бывшей команды. Мамаев провёл на поле 53 минуты, после чего был заменен. В официальных матчах он не может принимать участие до второго круга чемпионата России, так как не был заявлен в установленное время. 9 марта 2020 года в своём первом официальном матче за «Ростов» против московского ЦСКА вышел на замену и через пять минут отличился с передачи Эльдора Шомуродова, принеся победу своей новой команде (3:2).