Fils d'un hobereau prussien, il étudie l'histoire de l'art et la philosophie tout en débutant au théâtre. Il rejoint dès 1906 la troupe de comédiens de Max Reinhardt. Cette troupe surnommée le Deutsches Theater donne alors le ton en Allemagne dans le domaine théâtral. Ses remarquables interprétations de Iago, Richard III ou Méphisto hissent Wegener au rang des grands comédiens allemands de l'époque.
Il débute à l'écran en 1913 dans une première version de L'Etudiant de Prague (Der Student von Prag), qui est l'un des premiers films marquants de l'histoire du cinéma allemand. Il travaille désormais pour le cinéma à la fois comme acteur et scénariste, et un peu plus tard comme réalisateur.
En collaboration avec Carl Boese, il réalise en 1920 Le Golem (Der Golem) qui est un des chefs-d'oeuvre du cinéma expressionniste allemand. Il est aussi l'auteur du scénario et l'acteur principal du film, sous les traits du Golem.
Dans les années 1920, il mène de front une triple carrière de metteur en scène, de scénariste et d'acteur, étant notamment la vedette du film d'horreur Unheimliche Geschichten de Richard Oswald et Gabriel Pascal, sorti en 1932.
Sous le Troisième Reich, il continue son travail sur scène comme à l'écran, en dépit de ses positions pacifistes. Il s'accommode apparemment du régime nazi comme nombre d'artistes du théâtre et du cinéma allemands.
Après la Guerre, il est l'un des premiers artistes à reconstruire une vie culturelle à Berlin. Son interprétation de Nathan le Sage de Lessing est considérée comme le point de départ de la renaissance de la vie théâtrale en Allemagne.
Paul Wegener a été marié à l'actrice allemande Greta Schröder, qui tourna à ses côtés dans Le Golem, mais qui est surtout connue pour son rôle d'Ellen dans
Nosferatu le vampire (1922).