Alors qu'il est étudiant en cinéma, Paul Hamy fonde avec des amis le collectif POK qui réunit plasticiens, photographes, vidéastes et musiciens. Fort de son physique avantageux, il entame parallèlement une carrière de mannequin puis apparaît à la télévision dans une publicité Lacoste. Mais c’est au cinéma que le jeune homme rêve de percer. Il fait ses débuts dans la comédie dramatique Elle s’en va (2013), via un personnage qui fait la cour à une Catherine Deneuve en pleine crise existentielle.

S’ensuit la même année une prestation davantage remarquée dans le drame Suzanne où il se glisse dans la peau d’un charismatique petit malfrat qui entraîne Sara Forestier dans sa cavale. Ce rôle lui permet d’obtenir une nomination au César du Meilleur jeune espoir masculin.

Jeune acteur du cinéma français qui monte et spécialiste des rôles de bad guy, Paul Hamy campe ensuite un skinhead dans Un Français porté par Alban Lenoir puis rejoint Matthias Schoenaerts et Diane Kruger, dans le second long métrage d'Alice Winocour : Maryland. Dans ce dernier, l'acteur se glisse dans la peau d'un militaire de retour en France qui fournit un travail de garde du corps au personnage de Schoenaerts. Quasiment au même moment sort Mon Roi dans lequel il joue un pote fêtard de Vincent Cassel. 

Acteur caméléon, il se tourne vers un cinéma de plus en plus exigeant, de l'oppressant Malgré la nuit de Philippe Grandrieux à l'allégorique L'Ornithologue de João Pedro Rodrigues en passant par Le Divan de Staline. Sous la direction de Fanny Ardant, il y incarne un jeune peintre chargé de concevoir un monument à la gloire de l'homme d'État soviétique campé par Gérard Depardieu. Il poursuit dans la même veine en 2018 avec Occidental de Neïl Beloufa et 9 Doigts du cinéaste punk underground F.J. Ossang.

Instinctif et félin, Paul prend part en 2019 au drame romantique L'Autre continent aux côtés de Déborah François, puis joue le compagnon de Virginie Efira dans Sibyl et le coup d'un soir d'Ana Girardot Deux moi. La même année, il se glisse dans la peau du terrifiant antagoniste du thriller horrifique Furie. A l'aise aussi dans les rôles de personnages détestables, il manipule également Niels Arestrup dans Villa Caprice. Variant les genres, on le voit ensuite dans le film de SF Le Dernier Voyage et le biopic Madame Claude.

Le comédien de 42 ans attaque 2024 en campant le rôle principal du film noir Rien ni personne de Gallien Guibert, ainsi qu'un capitaine de gendarmerie enquêtant sur une série de disparitions d’enfants dans le thriller sombre Le Mangeur d’âmes.