Ještě před závěrečnými zkouškami na DAMU se Pavel Batěk stal členem souboru Divadla na Vinohradech, kde ztvárnil významné role v inscenacích Vojcek, Macbeth či v muzikálu Donaha! Za Vojcka si vysloužil nominaci na cenu Thálie. Po 11 sezónách v Divadle na Vinohradech se v srpnu 2015 stal členem Činohry Národního divadla.
Před kamerou Pavel Batěk debutoval v krátkometrážním snímku Otázka pohledu (2005), kde se na place potkal s Lukášem Hlavicou či Bohumilem Kleplem. Posléze si zahrál v řadě televizních filmů. Roli, a to hned hlavní, na stříbrném plátně prvně ztvárnil v česko-slovenské romantické komedii Zejtra napořád (2014), kde klíčovou ženskou postavu zpodobnila Vica Kerekes.
Do povědomí široké veřejnosti se Pavel Batěk dostal především obsazením do zajímavých postav v řadě seriálů. Jmenujme např. Ordinace v růžové zahradě 2, Obchoďák, První Republika, Labyrint, Atentát, Ohnivý kuře, Mordparta či Bohéma, kde ztvárnil režiséra Otakara Vávru.
Se svým bratrem Petrem Baťkem roku 1995 založil skupinu The End of Colours (The Doors revival), mezi jejíž známé skladby patří Sedmnáct barev ticha. Pavel Batěk, který v kapele zpívá, vystupoval také na letních akcích Živé obrazy, což byly netradiční prohlídky zámků v Ústeckém kraji. Jeho hlas jste mohli slyšet mj. v projektu Salome, Pásmu písní Karla Kryla pro zpěv, harfu, klarinet a kytaru.
Pavel Batěk se tajně oženil s přítelkyní Janou Coufalovou. V roce 2022 média přišla s infomací, že se rodiče dvou dětí rozvedli.