Se crio en Detroit, Míchigan tras la muerte de su madre. Comenzó a tocar con algunos de sus compañeros de clase siendo el bombardino barítono su primer instrumento. Más tarde tocó a la tuba y se pasó definitivamente al contrabajo en 1949. Su formación formal como contrabajista empezó en 1952 cuando comenzó a tomar clases con el contrabajista de la Orquesta Sinfónica de Detroit, mientras tocaba por su cuenta en la llamada Detroit String Band, que era un ensayo de orquesta sinfónica. Estudió también en el Cass Technical High School desde 1952 hasta 1955 formando parte de la sinfónica de este y de varios otros grupos —tocando en uno de ellos el saxofón barítono—. Por esas fechas fue invitado a viajar a Nueva York por el saxofonista Paul Quinichette.
Entre 1954 y 1955 adquirió un gran prestigio al tocar con músicos como Benny Green, Quinichette, George Wallington, J. J. Johnson o Kai Winding. En 1955 entró a formar parte del quinteto de Miles Davis, donde se mantendría hasta 1963 y donde grabó álbumes para la historia como Kind of Blue. Una de las interpretaciones más famosas de Chambers se encuentra en la primera pista de este: «So What», que comienza con un breve dúo entre Chambers y el pianista Bill Evans. Las sesiones de Kind of Blue fueron de una gran dificultad para los músicos, y las líneas de Chambers están consideras como unas de las más pensadas y elaboradas de la historia del jazz.
Entre 1963 y 1968 Chambers tocó en el trío de Wynton Kelly y apareció frecuentemente acompañando a otras grandes figuras del jazz.
Muerte
A lo largo de su vida Paul Chambers desarrolló adicciones al alcohol y la heroína. El 4 de enero de 1969 murió de tuberculosis complicada a los 33 años de edad.
Los bajistas de jazz estuvieron muy limitados por su componente rítmico y por seguir a la batería hasta finales de los años 30, cuando Jimmy Blanton, bajista de Duke Ellington, cambió la forma de entender el rol del contrabajo dotándolo de una mayor variedad tanto melódica como rítmica nunca vista hasta el momento. Con 15 años, Chambers empezó a escuchar a Charlie Parker y a Bud Powell, que serían sus primeras influencias en el jazz. Oscar Pettiford y Ray Brown fueron los primeros bajistas que Chambers admiró. También lo serían Percy Heath, Milt Hinton y Wendell Marshall por su trabajo rítmico, y Charles Mingus y George Duvivier por su destreza técnica y por sus esfuerzos por ampliar el ámbito de aplicación del bajo en el jazz. Blanton sería su favorito.
Paul Chambers está considerado como uno de los mejores bajistas de jazz de la historia y aún hoy sus líneas de acompañamiento y sus solos tiene una fuerte influencia en el jazz actual. Destaca su etapa junto a Miles Davis donde alcanzó su culmen interpretativo tanto en el aspecto melódico como en el rítmico y donde destacan líneas como las de «So What» o «Milestones». Cabe reseñar su interpretación en Blue Train de John Coltrane o sus solos de «The Tale of the Fingers» de su álbum 'Whims of Chambers' y de «The Lion and the Wolff» de Lee Morgan.