Pascal Chaumeil débute sa carrière au cinéma comme assistant-réalisateur dans de nombreux films, dont Bonjour l'angoisse (1988) de Pierre Tchernia. Mais c'est en 1994 qu'il fait une rencontre importante en la personne de Luc Besson. D'abord premier assistant sur le film Léon, il devient ensuite réalisateur de seconde équipe pour Le Cinquième élément (1997) et Jeanne d'Arc (1999).

Mais Pascal Chaumeil ambitionne déjà de devenir cinéaste et tourne quelques courts métrages, dont Des hommes avec des bas (1996), qui remporte le Grand prix au festival de Cognac. Chaumeil s'occupe aussi de nombreuses publicités à partir de 1997. Il fait ensuite ses premiers pas dans le monde de la télévision et réalise des épisodes de séries telles que Blague à part (2000-2003), Avocats & Associés (2001-2002), Engrenages (2005-2006) et Fais pas ci, fais pas ça (2007-2009).

C'est en 2010 qu'il tourne son premier long métrage : L'Arnacoeur, une comédie romantique avec dans les rôles principaux Romain Duris et Vanessa Paradis. Le film est un énorme succès en France (il réunit 3 millions de spectateurs et récolte plusieurs nominations aux Césars) mais aussi à l'étranger où il est, entre autre, présenté au Festival du film de Toronto. Un Plan Parfait (2012), le second film de Pascal Chaumeil, réunit Diane Kruger et Dany Boon pour un nouveau chassé-croisé amoureux.

Deux ans plus tard, il signe la comédie dramatique A Long Way Down, qui lui permet de diriger Pierce Brosnan, Aaron Paul ou Imogen Poots, puis il retrouve son acteur de L'Arnacoeur le temps d'Un petit boulot sur un scénario de Michel Blanc.

Il décède brutalement en 2015, à l'âge de 54 ans.