Fils de Nicolas Auguste Verlaine (1798-1865), officier du génie, et d'Élisa Stéphanie Julie Josèphe Dehée (1809-1886), issue d'une famille de cultivateurs, de leur union célébrée le 31 décembre 1831 à l'hôtel de ville d'Arras naît Paul-Marie Verlaine le 30 avril 1844 à Metz. Fils unique du couple, Paul est baptisé en l'église Notre-Dame-de-l'Assomption de Metz.
A 7ans, le jeune Paul est élève d'une petite institution de la rue Hélène de 1951 à 1953. Puis il passe 9 ans en pension à l'Institution Landry de 1853 à 1862, et suit les cours du Lycée Condorcet (à l'époque Lycée Impérial Bonaparte). Adolescent difficile, il obtient finalement son baccalauréat le 16 août 1862. En octobre de la même année, il s'inscrit à la faculté de Droit en vue de l'examen d'entrée au ministère des Finances. Il suit quelques cours, mais délaisse rapidement les bancs de l'Université pour les cafés du quartier latin, et les cercles littéraires parisiens. En 1862, Paul Verlaine entre à la compagnie d'assurances l'Aigle rue Laffitte, puis son père le fait entrer à l'administration de l'Hôtel de ville de Paris où il occupe un poste subalterne d'expéditionnaire.
Les premiers vers connus de Paul-Marie Verlaine, alors âgé de 14 ans, est un poème intitulé La mort envoyé à Victor Hugo le 12 décembre 1858. Verlaine publie à compte d'auteur son premier recueil, les Poèmes saturniens, en 1866, à 22 ans, un recueil de poésie emblématique de la littérature française.
En 1871, sa rencontre avec Arthur Rimbaud bouleverse sa vie, il sacrifie son couple et s'enfuit avec lui en Angleterre, puis en Belgique. Au cours de ses voyages, il compose Romances sans paroles et l'envoie à son éditeur, Edmond Lepelletier, le 19 mai 1873. En juillet 1873, à Bruxelles, suite à une violente dispute entre les deux amants alcoolisés, Verlaine avec son revolver tire sur Rimbaud. L'un, Arthur, est blessé légèrement au poignet ; l'autre, Paul, est condamné à vingt-quatre mois de prison le 8 août 1873 pour pédérastie par le Tribunal de première instance du Brabant Wallon, même si Rimbaud a retiré sa plainte. Enfermé aux Petits Carmes, prison de Bruxelles, puis transféré dans la prison de Mons le 25 octobre 1873, il reçoit les premiers exemplaires de son recueil Romances sans paroles fin mars 1874. Libéré le 16 janvier 1875, il rentre en France et sombre à nouveau dans l'alcoolisme.
En 1880, il publie Sagesse, son cinquième recueil poétique écrit entre 1873 et 1880. Poète symboliste dont les vers sont plus près de la musique que de la littérature, Paul Verlaine a exprimé les commandements de son art dans Jadis et Naguère publié en 1884. Le recueil rassemble des poèmes écrits une décennie plus tôt et que couronne le célèbre Art poétique, publié en revue dès 1882, qui revendique un art « sans rien en lui qui pèse ou qui pose ». Il est alors reconnu comme un maître et un précurseur par les poètes partisans du symbolisme ou du décadentisme. En 1894, il est désigné comme « Prince des Poètes. »
Le 11 août 1870, en l'église Notre-Dame de Clignancourt, il épouse Mathilde Mauté, parfois appelée Mauté de Fleurville (1853-1914). Elle est la fille de Théodore Mauté (1805-1887), rentier, et d'Antoinette-Flore Chariat, musicienne (1823-1883). Mathilde et Paul auront un enfant : Georges Verlaine (1871-1926). Leur divorce sera prononcé le 9 février 1885.
Le 8 janvier 1896, Verlaine meurt d'une pneumonie aiguë, à 51 ans, au 39 rue Descartes, dans le Ve arrondissement de Paris. Ses obsèques, réglées par le Ministère de l'Instruction publique et des Beaux-Arts, ont lieu le 10 janvier 1896 en l'église Saint-Étienne-du-Mont. Paul Verlaine repose au cimetière des Batignolles à Paris.