Paul Holmsen var sønn av sorenskriver Holmsen på Eidsvoll og bror av sangerinnen Karen Holmsen (1832–1912). Han ble student i 1860, i 1866, og var deretter sorenskriverfullmektig og senere konstituert borgermester i Trondhjem. I 1875 ble han kopist i statsrevisjonen, og i 1879 ble han politiadjutant i Kristiania.