Paul Gay découvre le chant lyrique à travers le chanteur Franz Crass. Après des études au CNSM de Paris, Paul Gay suit la classe Kurt Moll à Cologne. En 1997, il intègre la troupe du Théâtre d'Osnabrück (Allemagne) au sein de laquelle il passe trois ans, se forgeant ainsi un large répertoire allant de Puccini (Colline dans La Bohème) à Mozart (Figaro dans Les Noces de Figaro) en passant par Smetana (Kecal dans La fiancée Vendue). Il passe ensuite trois années en résidence à l'Opéra National de Lyon, jusqu'en 2003. 

En 2004, il est Garibaldo dans Rodelinda à Glyndebourne. Il prend en 2006 le rôle de Klingsor dans Parsifal (Wagner) à l'Opéra de Francfort. Il débute la même année à l’Opéra de Paris dans Juliette ou la Clé des songes de Martinů. En 2008, il interprète Méphistophélès dans Faust de Gounod à l'Opéra de Bordeaux, rôle qu’il chante également en 2011 à l'Opéra Bastille aux côtés de Roberto Alagna et Inva Mula. Entre temps, en 2009, il crée à l'Opéra de Paris le rôle du Roi Ignace dans Yvonne de Boesmans, rôle qui lui offre ses débuts à La Monnaie l’année suivante. En 2011, le baryton est aussi remarqué dans Saint François d'Assise d'Olivier Messiaen, dirigé par Kent Nagano surprend le public de l’Opéra d’Etat de Munich. Il se distingue également en 2015, dans son interprétation de Golaud dans Pelléas et Mélisande de Debussy à l'Opéra de Paris, dirigé par Philippe Jordan, dans la mise en scène de Robert Wilson. En 2016, il chante le Bailli dans Werther (Massenet) à l'Opéra de Paris  et reprend les rôles de Colline au Liceu de Barcelone, et de Golaud au Shanghai Grand Theater. Le baryton retourne à Paris pour interpréter à la fois Crespel et Luther dans Les Contes d'Hoffmann, mis en scène par Robert Carsen, puis il est à Bordeaux en décembre et chante Don Inigo Gomez dans L'Heure espagnole de Ravel. En 2017, il reprend Méphistophélès (Faust) à l'Opéra de Florence. En 2018, il est le Comte de Saint-Bris dans Les Huguenots à Bastille. En 2019, il chante Don Estoban dans Le Nain de Zemlinsky à Caen, ainsi que Lodovico dans Otello à Paris, mais aussi Nourabad dans Les Pêcheurs de perles à Beijing. Le baryton-basse interprète ensuite Sparafucile dans Rigoletto à Hong Kong puis Don Gaspard dans L’Ange de Nisida de Donizetti à Bergame. Il entame l’année 2020, en tant que Philippe II dans Don Carlos de Verdi au Théâtre de Saarbrücken,

Durant la saison 2020/2021, Paul Gay interprétera Nourabad dans les Pêcheurs de Perles à l’Opéra d’Etat de Berlin en octobre. En avril, il retrouvera La Monnaie de Bruxelles dans le rôle du Cardinal Campeggio pour de Henry VIII de Saint-Saëns.