Fils d'un scénariste et d'une traductrice, Pavel Lounguine étudie les mathématiques et la linguistique de 1965 à 1971 avant d'intégrer en 1973 l'école de cinéma de Moscou où il reçoit une formation de scénariste. De 1976 à 1987, il travaille sur les scripts de plusieurs longs métrages.

A la fin des années 80, grâce au soutien du producteur français Marin Karmitz, Pavel Lounguine se lance dans la réalisation de son premier long métrage, Taxi blues, plongée nocturne et alcoolisée dans sa ville natale. A travers la relation, tantôt hostile tantôt amicale, qui unit un chauffeur de taxi à un saxophoniste, le cinéaste brosse un portrait de la société russe à l'heure de la Perestroïka initiée par Mikhaïl Gorbatchev. Très remarqué à Cannes en 1990 (où il a les honneurs de la Sélection officielle), ce coup d'essai vaut à son auteur le Prix de la Mise en scène.

Lounguine est de retour sur la Croisette dès son film suivant, Luna Park (1992), l'histoire d'un skinhead nationaliste et antisémite qui se découvre des origines juives. Désormais installé à Paris, le cinéaste n'en continue pas moins de décrypter les mutations à l'oeuvre en Russie, sous la forme du film de gangsters cocasse (Ligne de vie en 1996, avec Vincent Perez face à la Mafia), du portrait de famille (La Noce, ou le récit haut en couleurs d'une cérémonie de mariage, avec à la clé un Prix d'interprétation à Cannes pour l'ensemble de la distribution en 2000) du thriller politique (Un nouveau Russe en 2003) ou de la comédie (Familles à vendre, 2006). Il change de registre en 2007 avec L'Île, évocation de la vie d'un moine qui lui permet d'aborder pour la première fois le thème de la religion. Avec Le Tsar, évocation d'Ivan le Terrible, il livre une nouvelle introspection de la Russie à travers son Histoire, 65 ans après la version de Sergei Mikhailovich Eisenstein qui fut censurée par le pouvoir Soviétique.