Paul Collomb étudie le dessin à Paris à l'École des arts appliqués. Il possède son atelier à la Ruche et entre à l'École nationale supérieure des beaux-arts après la Libération à l'atelier de Jean Souverbie (1891-1981) avec Jacques Berland. Il y rencontre Geoffroy Dauvergne, Joseph Archepel, Mickaël Compagnion, Jacques Reverchon, de l'atelier de Jean Dupas (1882-1964).

Il obtient différents prix, dont le premier second grand prix de Rome en peinture de 1950, le prix Fénéon et celui de la Casa de Velázquez en 19511. En 1953, il est pensionnaire de l'Institut français à la Maison Descartes à Amsterdam. C'est sous la présidence de Pierre Descargues, avec pour vice-présidents Paul Rebeyrolle et Gaëtan de Rosnay, qu'il est aux côtés de Paul Aïzpiri, Bernard Buffet, Michel de Gallard, Pierre Garcia-Fons, Daniel du Janerand, Jean Jansem, Mireille Miailhe, Michel Patrix, Raoul Pradier et Michel Thompson, membre du comité qui le 3 mars 1953 fonde l'Association dite de la Jeune Peinture.

L'année 1955 est marquée par la naissance de son fils unique, Pierre.

Paul Collomb est reconnu internationalement, comme en attestent les expositions qui lui ont été consacrées aux États-Unis ou au Japon. Il a beaucoup voyagé, et a été inspiré par l'Espagne. Il participe à la plupart des Salons parisiens, en particulier au Salon Comparaisons dans le groupe de Maurice Boitel. Il s'est impliqué dans la conservation du patrimoine culturel pictural et sculptural, issu du 1 % artistique, notamment pour les peintures monumentales, en soutenant l'action de l'Association des Amis du peintre Geoffroy Dauvergne dont il était un membre actif.

Paul Collomb s’est éteint le 6 octobre 2010 à Paris à l’âge de 88 ans. Il a légué la plus grande partie de son œuvre au Musée d’Oyonnax.