Winchell studierte an der Columbia University Medizin. Von 1950 bis 1954 war er Gastgeber der Fernsehsendung The Paul Winchell Show auf dem US-amerikanischen Fernsehsender NBC. Von 1965 bis 1968 war er Gastgeber der Kinderfernsehserie Winchell-Mahoney Time. Durch seine Bauchrednerpuppen wurde er über das Fernsehen in den Vereinigten Staaten in den 1950er und 1960er Jahren sehr populär. Als Schauspieler war er in Gastrollen in verschiedenen Fernsehserien tätig, unter anderem als Mordopfer Henry Clement 1964 in der Perry-Mason-Folge Der Fall mit der erinnerungslosen Frau und als Homer Winch in der Fernsehserie The Beverly Hillbillies im Jahr 1962. Bis 1989 war er die Originalstimme von Tigger aus Winnie Puuh.
Neben seiner Tätigkeit als Bauchredner gilt er als Miterfinder des Kunstherzens.[3]
Winchell war in erster Ehe mit Dorothy Movitz, in zweiter Ehe mit Nina Russel (1961–1972) und in dritter Ehe mit Jean Freeman (1974–2005) verheiratet. Seine Tochter aus der zweiten Ehe ist die Schauspielerin und Synchronsprecherin April Winchell.
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