Дюка родился во франко-еврейской семье, с детства обучался игре на фортепиано, сочинять начал с 14 лет. Учился в Парижской консерватории у Теодора Дюбуа и Эрнеста Гиро. Первыми крупными сочинениями Дюка стали две увертюры, написанные в 1883 году. После ряда неудачных попыток получить Римскую премию молодой музыкант принял решение покинуть консерваторию и завершить карьеру композитора, занявшись музыкальной критикой. Отслужив в армии, Дюка, тем не менее, вернулся к сочинительству и возобновил занятия теорией музыки.

Успех пришёл к Дюка в 1892 году, когда в Париже была исполнена его увертюра «Полиевкт», в это же время публикуются его первые критические статьи. Другие известные сочинения 1890-х годов — Симфония C-dur и скерцо «Ученик чародея», написанное по мотивам одноимённой баллады Гёте и ставшее самым популярным произведением композитора. В обеих работах ярко проявилось композиторское мастерство Дюка, его живая, оригинальная оркестровка и самобытный стиль. Несмотря на успех своих сочинений, Дюка очень критично относился к ним и уничтожал рукописи, из-за чего многие из его работ этого времени не сохранились.

В начале XX века Дюка обратился к крупным сценическим работам: опере «Арианна и Синяя Борода» и балету «Пери», написанному для выдающейся балерины Натальи Трухановой и впервые поставленному в 1912 году. В дальнейшем музыкант переключился на преподавательскую и критическую работу и больше не сочинил ни одного крупного произведения, а все существовавшие наброски уничтожил.

С начала 1920-х годов Дюка занимался проблемами музыкального образования во французских провинциях, а в 1928 году получил место профессора класса композиции в Парижской консерватории. Среди его учеников — Оливье Мессиан, Хоакин Родриго, Морис Дюрюфле и многие другие известные впоследствии композиторы. Дюка умер в Париже, похоронен на кладбище Пер-Лашез.

Во Франции издательством Фаярд (Fayard), в 2007 году, была издана книга «Поль Дюка» («Paul Dukas»), написанная французскими музыковедами Симоном-Пьером Перре (Simon-Pierre Perret) и Мари-Лор Раго (Marie-Laure Ragot) и посвященная жизни и творчеству композитора. В России исследованием жизни и творчества Поля Дюка занимается дирижёр Михаил Асташев-Гришевский.