Paul Loyonnet commence à apprendre le piano dès ses six ans avec son jeune voisin Charles Lemaître, diplômé de l’Ecole Niedermeyer, et reçoit des leçons privées du pianiste et compositeur Charles de Bériot dès 1899. En 1902, à 13 ans, Paul Loyonnet intègre sur concours les classes du Conservatoire national de musique de Paris, qu’il fréquentait déjà en assistant en tant qu’auditeur libre aux classes de Charles de Bériot. Il suit les cours des grands pianistes et compositeurs J.-B. Ganaye, Charles-Marie Widor et Isidor Philipp. En 1906, à 17 ans, il se produit pour la première fois en public, puis entame une série de concerts dans toutes les grandes villes d’Europe. Après la Première Guerre mondiale, il joue avec Lucien Capet, Armand Marsick, Joseph Szigeti. Il fréquente Debussy, Fauré, Ibert, Ravel, Saint-Saëns, Francis Planté, Louis Rosoor ou Lucien Durosoir. En 1926 pour le centenaire de la mort de Beethoven, il se produit à Berlin et Rome. A partir de 1916, il donne environ 2 000 récitals, avant de prendre sa retraite en 1932, qu’il occupe par l’écriture et des conférences en tant que pédagogue. Il revient à la scène en 1940 dans la zone libre en France, puis après la libération, fin 1945, il joue les trois derniers concertos de Beethoven au Théâtre des Champs-Elysées à Paris, et entame une tournée mondiale de 1945 à 1951, en Espagne, au Portugal, en Afrique du Nord et du Sud, au Proche-Orient, puis au Canada et aux Etats-Unis en 1947 et 1948 et en Amérique latine. En janvier et février 1953, il se produit au Carnegie Hall de New York avec autant de succès. Il collabore également à des périodiques musicaux, comme « Le Courrier musical » ou « La Revue musicale », et spécialiste de Beethoven, dont il enregistre plusieurs sonates, il publie deux ouvrages sur celui-ci, « Beethoven « ce mal connu » » (Les éditions de l'Epargne, 1967). En 1954, il s’établit au Québec et enseigne le piano à Montréal, à l’Ecole Vincent-d’Indy pendant 10 ans puis à l’Université McGill jusqu’à sa mort. Il donne son dernier récital parisien à Gaveau en 1962 et son tout dernier récital à 92 ans.