Né le 30 septembre 1901 à Bâle (Suisse), de parents ouvriers du textile, Paul Thalmann commence à travailler à 14 ans, adhère aux Jeunesses communistes à 16 ans, et participe en novembre 1918 à la grève générale en Suisse. Il lit Pierre Kropotkine, est influencé par le militant socialiste libertaire Fritz Brupbacher, écrit dans le journal des jeunesses socialistes « Frei Jugend ». Il devient secrétaire des Jeunesses communistes bâloises de 1921 à 1925, et rallie en mars 1921 la IIIe Internationale communiste créée par Lénine. Il suit en 1921 des cours marxistes à Berlin, organise l’acheminement clandestin du journal « Die Jugend Internationale » de W. Münzenberg et d’autres publications interdites en Suisse. Membre du Comité central du Parti communiste suisse, il est délégué au congrès de l’Internationale communiste de la Jeunesse en 1922 et 1924 et assiste aux IVe et Ve congrès de l’Internationale communiste où il peut approcher les chefs bolcheviques, notamment Léon Trotsky qui le reçoit en 1924. De 1925 à 1928, il est envoyé à l’Université communiste des minorités de l’Occident à Moscou (UCMO ou KUNMZ), chargé de former les cadres communistes, où il fréquente Hermann Erb et Ernst Illi. Il y est contraint d’adhérer au Parti communiste de l’Union soviétique, dans lequel il se place avec les autres militants suisses dans l’Opposition trotskiste, en s’abstenant de voter la ligne officielle du parti.

De retour en Suisse en 1928, il devient rédacteur du quotidien « Basler Vorwärt » qu’il quitte rapidement car empêché d’y exprimer ses opinions ; il est finalement exclu du Parti communiste en 1929. Il intègre alors à Schaffhouse, un groupe d’opposition en lien avec le KPO allemand de Brandler, où il prend en charge la rédaction du « Arbeiter Zeitung ». En désaccord avec cette opposition brandlérienne après la victoire du nazisme, il quitte Schaffhouse en 1934 et part en voyage dans les Balkans. De retour à Bâle, à l’automne 1934, il dirige le groupe local de l’organisation trotskiste « Die marxistische Aktion der Schweitz » (MAS) et son mensuel « Trotz Alledem », et reçoit Jan Frankel, proche de Trotsky, qui exhorte les militants suisses à adhérer au Parti socialiste. Le MAS participe en rejoignant le Parti socialiste à la « majorité rouge » des élections législatives. En juillet 1936, il rejoint muni d’une carte de l’Agence socialiste de presse, sa compagne Carla Ensner, qu’il a épousée en 1931, sur le front républicain d’Espagne. Il suit les milices du POUM et de la CNT sur le front d’Aragon, puis passe par le front madrilène. Pavel Thalmann abandonne le trotskysme, se rapprochant des anarchistes et notamment des Amis du Durutti tout en les critiquant. Les Thalmann retournés en Suisse, organisent l’accueil d’enfants réfugiés espagnols ainsi que des conférences de soutien. Pavel publie sous le nom de Franz Heller la brochure « Pour la révolution ouvrière en Espagne », où il s’en prend violemment aux actions contre-révolutionnaires des communistes espagnols, s’opposant aux transformations sociales opérées par les anarchistes. Après deux mois en Suisse, en janvier 1937, ils retournent en Espagne où Pavel rejoint le front d’Aragon, cette fois comme milicien, brièvement avec la colonne Durruti, à Pina, puis après des divergences idéologiques, en mars 1937, avec un groupe du Parti Ouvrier d’Unification Marxiste (POUM), le « Bataillon de choc » d'environ 400 volontaires. Toujours en mouvement, les Thalmann sont à Barcelone pour les évènements de mai 1937, où ils sont arrêtés comme « contre-révolutionnaires » alors qu’ils veulent quitter l’Espagne le 2 juillet et sont détenus par le Guépéou communiste à Barcelone puis à Valence, où ils sont durement interrogés notamment à propos de la brochure « Pour la révolution ouvrière en Espagne ». Libérés grâce à l’intervention de Louis de Brouckère, dirigeant de l’Internationale socialiste ouvrière, ils quittent l’Espagne pour la France en septembre 1937.

Installés à Paris, pendant l’occupation allemande, ils occupent le pavillon de Georges Altman qui devient un lieu de refuge pour les Juifs, militants antifascistes allemands et autres clandestins, un lieu de réunion politique et un local d’imprimerie clandestine. En 1941-1942 s’y forme un petit Groupe révolutionnaire prolétarien qui publie « Le Réveil prolétarien », qui devient en 1944 l’Union des communistes internationalistes. Sans rejoindre le Secrétariat européen de la IVe Internationale (trotskyste), Paul Thalmann publie avec un de ces membres, Martin Widelin-Monat, entre juillet et septembre 1943, le journal « Arbeiter und Soldat », destiné à faire pénétrer les idées antinazies dans l’armée allemande. Après la guerre, Paul Thalmann collabore avec Nicolas Lazarevitch, qui vise à faire connaître la réalité de l’URSS communiste stalinienne, et au Cercle Zimmerwald. Ils s’opposent à l’URSS mais aussi militent pour l’indépendance de l’Algérie.

Les Thalmann quittent Paris en 1954 pour Nice, poursuivant leur activité de conférenciers sur la guerre d’Espagne et le rôle des anarchistes, dans les universités en Allemagne et en Suisse. Pavel écrit alors dans la presse socialiste sous le nom de « Pierre Breton ». A Nice, ils participent à la formation de nombreux jeunes militants dans les années 1960 et 1970 en les accueillant à la Villa Serena fondés avec d’autres compagnons. Ils font l’objet de plusieurs films en 1966 à la télévision allemande et en 1973, à la télévision suisse, « Les Suisses dans la guerre civile espagnole ». En 1977, ils publient leurs mémoires à Hambourg : Révolution für die Freiheit, Stationen eines politischen Kampfes, Moskau-Madrid-Paris.