כבר בראשית דרכו ב-NBA ובממפיס החל גאסול להפגין יכולת מרשימה, ובעונתו הראשונה בליגה קלע 17.6 נקודות, הוריד 8.9 ריבאונדים והעמיד 2.1 חסימות בממוצע למשחק. הוא הפך במהרה לאחד מהשחקנים הבכירים בממפיס, כאשר היה היחיד שהשתתף בכל 82 משחקיה ופתח בחמישיית הקבוצה ב-79 מתוכם. בעקבות יכולתו המרשימה זכה גאסול בתואר רוקי השנה ב-NBA לעונת והפך לאירופי הראשון בהיסטוריה שזוכה בתואר זה, ובנוסף נבחר לחמישיית הרוקיז הראשונה של העונה.
בעונתו השנייה בממפיס, , הוביל גאסול את הקבוצה בקליעות עם 19 נקודות ו-8.8 ריבאונדים בממוצע למשחק, ועונה שנייה ברציפות השתתף בכל משחקיה של הקבוצה ואף פתח בחמישייה בכל אחד מהם. בעונת השיג גאסול ממוצעים של 17.7 נקודות ו-7.7 ריבאונדים למשחק, והגיע לשני ציוני דרך אישיים - הוא קלע את הנקודה ה-3,000 שלו במשחק באוקטובר 2003 נגד בוסטון סלטיקס, והוריד את הריבאונד ה-1,500 שלו נגד אורלנדו מג'יק. באותה עונה החמיץ גאסול משחק לראשונה בקריירה שלו בעקבות פציעה ברגלו, ובכך נעצר רצף של 240 משחקים בהם לקח חלק.
בעזרת יכולתו הטובה סייע גאסול לממפיס להעפיל לראשונה בתולדותיה למשחקי הפלייאוף באותה עונה, שם פגשה הקבוצה את סן אנטוניו ספרס בסדרת הסיבוב הראשון. בסדרה זו הוא שיפר במעט את ממוצע הקליעות שלו ואף קלע 22 נקודות במשחק הרביעי, אך לא מנע את הדחתה של ממפיס בתום סדרה בת ארבעה משחקים בלבד, מבלי להשיג אף ניצחון.
בעונת השיג גאסול ממוצעים דומים מאוד לאלו שהשיג בקודמתה בנקודות ובריבאונדים. בינואר 2005 הוא קלע 31 נקודות וחסם ארבע חסימות במשחקה של קבוצתו נגד אינדיאנה פייסרס, ובעקבות כך הפך לשחקן העשירי המהיר ביותר שמגיע הן ל-5,000 נקודות והן ל-500 חסימות במהלך הקריירה מאז שנת 1974. בנוסף, סייע גאסול לממפיס להעפיל באותה עונה למשחקי הפלייאוף בפעם השנייה ברציפות. עם זאת, הקבוצה הודחה פעם נוספת בסיבוב הראשון מבלי לנצח אף משחק, הפעם על ידי פיניקס סאנס.
במהלך עונתו החמישית בממפיס, עונת , הפך גאסול ללוקח הריבאונדים המוביל של הקבוצה בכל הזמנים, כאשר הוריד את הכדור החוזר ה-3,072 בקריירה במשחק במרץ 2006 נגד ניו יורק ניקס. בין 24 בינואר ל-28 בינואר באותה שנה הוא קלע 29 זריקות רצופות מקו העונשין, והשתווה במקום השני במספר קליעות העונשין הרצופות בתולדות ממפיס. רצף זה כלל שני משחקים בהם קלע בכל 12 ניסיונותיו מהעונשין, והייתה זו ההופעה הטובה ביותר בתולדות ממפיס מקו העונשין במשחק בודד. גאסול השיג ממוצעים של 20.4 נקודות, 8.9 ריבאונדים ו-4.6 אסיסטים למשחק והעפיל עם ממפיס בשלישית לסיבוב הפלייאוף הראשון, שם הודחה הקבוצה על ידי דאלאס מאבריקס.
באותה עונה הגיע גאסול לאחד מההישגים החשובים בקריירה שלו, כאשר נבחר לראשונה להשתתף במשחק האולסטאר של ה-NBA בתור אחד מהמחליפים בנבחרת המערב. בעקבות ההישג הפך גאסול לספרדי הראשון בהיסטוריה שמשתתף במשחק האולסטאר וכן לשחקן הראשון של ממפיס גריזליס שעושה זאת. בזמן פגרת סוף-שבוע האולסטאר דורג גאסול בין עשרת הפורוורדים המובילים במערב בנקודות, בריבאונדים, באסיסטים ובחסימות.
לפני עונת זכה גאסול עם נבחרת ספרד באליפות העולם בכדורסל וזכה בתואר ה-MVP של הטורניר. בעקבות פציעה ברגלו שנגרמה במשחק חצי הגמר הטורניר נאלץ גאסול להחמיץ את 23 המשחקים הראשונים של העונה, אך לאחר חזרתו הגיע לשיא הקריירה שלו כאשר העמיד ממוצעים של 20.8 נקודות, 9.8 ריבאונדים ו-2.1 חסימות למשחק. הוא דורג במקום השני בין הסנטרים בליגה במספר הנקודות שקלע. באותה עונה זכה גאסול למספר הישגים אישיים - הוא הפך ל של ממפיס בכל הזמנים לאחר שעקף את שריף עבדור-רחים, ושבר גם את שיאי המועדון בקליעות מקו העונשין, בקליעות מ ובדקות המשחק ששיחק.
לוס אנג'לס לייקרס.
בעקבות חוסר ההצלחה שנחלה ממפיס בפתיחת עונת , הביע גאסול את רצונו לעבור לשחק בקבוצה חזקה בליגה. לבסוף הוא הועבר בפברואר 2008 ללוס אנג'לס לייקרס, בעסקה מתוקשרת במסגרתה הועברו לממפיס קוואמי בראון, ג'וואריס קריטנטון, ארון מקי וזכויות הדראפט על מארק גאסול, אחיו הצעיר של פאו. עם הגעתו ללייקרס נתלו בגאסול ציפיות רבות להפוך לכוכב השני של הקבוצה לצד קובי בראיינט, ולהיות השחקן שיסייע לבראיינט וללייקרס להשיג את תואר אליפות הליגה. בעת עזיבתו את ממפיס החזיק גאסול ב-12 שיאים שונים של המועדון בכל הזמנים.
כבר בתחילת דרכו בלייקרס פתח גאסול בקביעות בחמישיית הקבוצה, וסייע לה לסיים את העונה הסדירה במקום הראשון במערב עם מאזן של 57 ניצחונות ו-25 הפסדים, בעוד הקבוצה העמידה מאזן של 5–22 במשחקים בהם השתתף. בראיינט עצמו העיד כי שיתוף הפעולה בינו לבין גאסול בהתקפת הלייקרס עבד מצוין כבר מהפתיחה. הוא קלע 18.8 נקודות והוריד 7.8 ריבאונדים בממוצע למשחק עד לסיום העונה במדי הלייקרס. במשחקי הפלייאוף סייע גאסול ללייקרס לנצח את דנוור נאגטס בסיבוב הראשון, ובכך עבר לראשונה בקריירה שלו שלב בפלייאוף. הוא הצטיין במיוחד במשחק הראשון של אותה סדרה, בו קלע 36 נקודות, הוריד 16 ריבאונדים ומסר 8 אסיסטים. בסיבוב הבא סייע גאסול לקבוצתו לנצח את יוטה ג'אז ולהעפיל לגמר המערב, ולאחר הניצחון על סן אנטוניו ספרס בשלב זה, הפך לשחקן הספרדי הראשון בהיסטוריה שמגיע לסדרת גמר ה-NBA. בסדרת הגמר, מול בוסטון סלטיקס, ירדה בצורה ניכרת יכולתו של גאסול וקבוצתו הפסידה בתום סדרה של שישה משחקים.
בסיכומם של משחקי הפלייאוף הראשונים שלו עם לוס אנג'לס לייקרס היה גאסול הקולע השני בטיבו בקבוצה עם 16.9 נקודות למשחק, וכן דורג שני במדדי הריבאונדים (9.3) והאסיסטים (4) למשחק. הוא הוביל את הקבוצה במדד החסימות עם 1.9 בממוצע, והשיג עשר פעמים דאבל דאבל במהלך הפלייאוף.
בעונת השיג גאסול ממוצעים של 18.9 נקודות ו-9.5 ריבאונדים למשחק, ונבחר בפעם השנייה בקריירה להשתתף במשחק האולסטאר של ה-NBA. הוא אף זכה בתואר שחקן החודש במערב בחודש פברואר, לאחר שסייע ללייקרס לנצח 11 מתוך 13 משחקיה בחודש זה, כולל ניצחונות חוץ על בוסטון ועל קליבלנד קאבלירס. יחד עם שחקנים כמו למאר אודום ודרק פישר, היה גאסול אחד מהשחקנים הבכירים שסייעו לבראיינט, והשילוב המוצלח ביניהם הוביל את הלייקרס לזכייה באליפות ה-NBA. גאסול שמר על יכולת עקבית במשחקי הפלייאוף לנצח את אורלנדו מג'יק בחמישה משחקים בסדרת הגמר, בדרך לאליפות הראשונה בקריירה שלו. בעקבות העונה המוצלחת זכה גאסול בסיום שנת 2009 בכל שלושת התארים המרכזיים של כדורסלן השנה באירופה - מר אירופה, פרס יורוסקאר ושחקן השנה של פיב"א אירופה.
בעונה הבאה, , המשיך להפגין יכולת מרשימה והשיג לראשונה ממוצעים עונתיים של "דאבל דאבל" - 18.3 נקודות ו-11.3 ריבאונדים. הוא נבחר בפעם השנייה ברציפות למשחק האולסטאר ולחמישייה השלישית של העונה. במשחק השישי של סדרת הסיבוב הראשון בפלייאוף, מול אוקלהומה סיטי ת'אנדר, קלע סל ניצחון לזכות קבוצתו שבזכותו עלתה לשלב הבא, שם ניצחה את יוטה ג'אז. לאחר ניצחון על פיניקס סאנס בגמר המערב העפיל גאסול עם הלייקרס בפעם השלישית ברציפות לסדרת הגמר, שם פגשה פעם נוספת את בוסטון. במשחק השביעי שהכריע את הסדרה קלע גאסול 19 נקודות והוריד 18 ריבאונדים, בדרך לניצחון קבוצתו ולזכייה באליפות השנייה שלו.
שיקגו בולס.
ביולי 2014 חתם גאסול בשיקגו בולס לאחר שדחה הצעה להאריך את חוזהו בקבוצתו הקודמת, לוס אנג'לס לייקרס. גאסול החל את עונתו הראשונה במדי שיקגו בולס בצורה מצוינת ואף נבחר לחמישייה הפותחת של המזרח במשחק האולסטאר, שהתקיים בניו יורק.
סן אנטוניו ספרס.
ב-4 ביולי 2016 חתם גאסול בסן אנטוניו ספרס. בעונת העפיל עם הספרס לגמר האזור המערבי, בו הפסידו לגולדן סטייט ווריורס בתוצאה 0–4. בעונה העוקבת הודחה סן אנטוניו, שוב על ידי הווריורס, כבר בסיבוב הפלייאוף הראשון (1–4).
מילווקי באקס.
במרץ 2019, לאחר שתי עונות וחצי בסן אנטוניו, שוחרר גאסול מהספרס וחתם על חוזה במילווקי באקס.
פורטלנד טרייל בלייזרס.
ביולי 2019 חתם גאסול על חוזה בפורטלנד טרייל בלייזרס. ב-20 בנובמבר 2019 שוחרר מהקבוצה בשל פציעה בכף רגלו, מבלי ששיחק במדיה.
חזרה לברצלונה.
ב-23 בפברואר 2021, 20 שנה לאחר שעזב אותה, חזר גאסול לברצלונה. עם ברצלונה הגיע עד לגמר היורוליג, אך סיים איתה במקום השני לאחר הפסד לקבוצת אנאדולו אפס.
ב-5 באוקטובר 2021 הודיע גאסול על פרישה ממשחק פעיל.
נבחרת לאומית.
בצעירותו שיחק גאסול בנבחרות הנוער השונות של ספרד, והיה שותף לזכייתה של ספרד הן בטורניר על שמו של אלברט שווייצר והן באליפות אירופה עד גיל 18 בשנת 1998. את הופעת הבכורה שלו בנבחרת הבוגרת של ספרד הוא ערך במשחק מול נבחרת יוון באוגוסט 2001, במסגרת הכנותיה של הנבחרת לאליפות אירופה באותה שנה. גאסול נכלל בסגל הנבחרת גם לטורניר אליפות אירופה, והיה מהשחקנים הבולטים בנבחרת שזכתה במדליית הארד. הוא נכלל בחמישיית המצטיינים של האליפות.
גאסול השתתף עם נבחרת ספרד באליפות העולם בכדורסל הראשונה שלו ב-2002. גם בטורניר זה הוא המשיך לבסס את מעמדו כשחקן המוביל של הנבחרת, כאשר סיים במקום השישי בדירוג הקולעים המצטיינים של הטורניר עם 19.1 נקודות בממוצע למשחק. הוא סייע לנבחרתו להגיע לרבע גמר הטורניר ולסיים במקום החמישי. באליפות אירופה ב-2003 העפיל גאסול עם ספרד עד לגמר הטורניר וזכה במדליית הכסף. הוא סיים כמלך הסלים של האליפות עם 25.8 נקודות למשחק, ונבחר פעם נוספת לחמישיית הטורניר.