De família de teixidors, hagué d’abandonar els estudis per a dedicar-se a l’ofici familiar. De temperament autodidàctic i creador, fundà el 1905, després d’uns contactes truncats amb l’Escola Moderna de Ferrer i Guàrdia, l’Escola Horaciana. El decenni següent fou decisiu en la seva orientació. El curs 1912-13 deixà l’Escola i es diplomà a Ginebra a l’École des Sciences de l’Éducation, i descobrí l’escola geogràfica francesa de P. Vidal de la Blache i el geògraf J. Brunhes. Anà contractat a Bogotà (1915-18), on fou rector del Gimnasio Moderno, del qual renovà l’orientació pedagògica. Simultàniament publicava a Barcelona La geografía física y astronómica (1915), prova que la geografia li interessava, almenys en el seu vessant pedagògic, abans de tenir-hi un lloc. En tornar de Colòmbia, J. Palau i Vera, que, com a geògraf, li havia encomanat l’obra, s’havia mort, i Vila, bé que nomenat secretari de l’Escola de Treball, com a adjunt del director, Rafael Campalans (1917-24), s’orientà decididament cap a la geografia, que el 1920 ja ensenyava als Estudis Normals de la Mancomunitat. Però li calia una formació científica. El 1923 marxà a França, on assolí aquesta formació a l’Institut de Géographie Alpine de Grenoble, dirigit per R. Blanchard. Traduí i completà el curset en l’Assaig de geografia humana de la muntanya (1925) i es lliurà a la interpretació geogràfica de Catalunya amb sistema, profunditat i intuïció.
El 1926 publicava La Cerdanya, iniciant, com diu el pròleg, un nou gènere d’estudis a Catalunya, el de la geografia moderna d’abast comarcal. És possible que l’únic capítol realment envellit avui sigui el degut a un mestre seu, M. Chevalier. Ràpidament aparegueren breus estudis comarcals —Les Marques de Ponent, nom que donà a l’anomenada aleshores Catalunya aragonesa; el Vallès, la seva comarca— que preludiaven la millor síntesi personal que hom té per al coneixement geogràfic del país: el Resum de geografia de Catalunya, en nou volumets (1928-35). Al pròleg diu que tenia el material recollit de temps i que era un resum en quatre volums de la primera part d’una Geografia general de Catalunya, València i Balears, que encara manca. Alhora publicà una col·lecció de mapes escolars i inicià els articles geogràfics a La Publicitat (1929-38), suggestius i engrescadors, dins la tècnica periodística més acurada. La Generalitat aprofità la seva vocació cívica, com ja havia fet la Mancomunitat. La seva gran obra és la Divisió Territorial de Catalunya (1932 i 1937), però encara escrivia per als combatents La fesomia geogràfica de Catalunya (1937), i presentà al congrés d’Amsterdam del 1938 Le peuplement de la Catalogne. Le problème géographique de l’eau. Aquests anys fou catedràtic de l’Escola Normal de Mestres i de la Institució d’Estudis Comercials, professor dels Estudis Universitaris Catalans i president del Centre Excursionista de Catalunya i de la Societat Catalana de Geografia, filial de l’Institut.
El 1939 s’exilià a Colòmbia, on ensenyà a l’Escuela Normal Superior de Bogotà fins el 1946; hi publicà (1945) la Nueva geografía de Colombia. Cridat a Veneçuela el 1946, hi fundà i dirigí el departament de geografia i història de l’Instituto Pedagógico de Caracas, fins que es jubilà, el 1961, quan ja s’havia naturalitzat veneçolà. La seva gran obra allí és la Geografía de Venezuela, en dos volums, dels quals redactà tot sol el primer (1960), i el segon en col·laboració amb deixebles veneçolans. Hi publicà, també, els estudis Los descubrimientos de la Gran Sabana i Visiones geo-históricas de Venezuela (1969). Fou membre del Centre Català de Caracas, del qual fou nomenat president honorari.
El 1965, poc després d’haver tornat a Catalunya (però passant els hiverns a Veneçuela), publicà un article polèmic: Origen i evolució de la Rambla barcelonina (1965), que inicià la seva darrera etapa, centrada en la geografia urbana de Barcelona. El 1968 s’incorporà a la redacció de la Geografia de Catalunya dirigida per L. Solé i Sabarís, on publicà El Barcelonès i Barcelona ciutat, resum de la més extensa Barcelona i la seva rodalia al llarg del temps (1974), culminació de la seva obra de repatriat. També ha publicat Joan Orpí, l’home de la Nova Catalunya (1969), on enllaça les seves afeccions en estudiar la Barcelona de Veneçuela. El 1969 fou elegit membre de l’Institut d’Estudis Catalans, com a numerari de la nova secció de Filosofia i Ciències Socials, i el 1976 hom li atorgà el Premi d’Honor de les Lletres Catalanes. Dins de la darrera etapa, cal esmentar, també, Selecció d’escrits de geografia (1978-79). El 1979 fou investit doctor honoris causa per la Universitat Autònoma de Barcelona. L’Institut de Ciències de l’Educació de la Universitat de Barcelona instituí el Premi Pau Vila de Geografia, l’any 1981. Fou fundador i impulsor de tres escoles geogràfiques: les de Catalunya, Colòmbia i Veneçuela.