Artiste plasticien et marionnettiste, Paulo Duarte entame son parcours en se formant d'abord aux Beaux-Arts de Porto, dont il obtient son diplôme en 1993. Il exerce alors en tant qu'artiste et professeur d'arts plastiques pendant quelques années avant de rejoindre l'ESNAM - École Supérieure Nationale des Arts de la Marionnette à Charleville-Mézières en 1996. À sa sortie en 1999, il co-fonde la compagnie Pseudonymo avec David Girondin Moab.
Au début des années 2000, il partage son temps entre Barcelone, où il collabore avec Joan Baixas, et Paris. Il crée des spectacles tels que A Hora Do Diabo, Subbruli avec Don Verboven et Tibo Gebert, dirige I’m not always the same, et met en scène Data de Caducitat en collaboration avec les étudiants d'AMK en Finlande et de l'Institut del Teatre de Barcelone.
En 2006, il co-crée avec Nuria Legarda le spectacle Écumes et quitte la compagnie Pseudonymo. Jusqu'en 2011 à Rennes, il co-dirige la compagnie LàOù avec Renaud Herbin et Julika Mayer, créant des spectacles et des installations tels que Deep News, Petites Âmes et En plis.
En 2012, il fonde MECANIkA, axée sur le mélange des genres et la recherche d'une dramaturgie personnelle. Il y crée le spectacle PLUG puis en 2013 le spectacle jeune public La Queue de Monsieur Kat. Entre 2016 et 2017, il développe le projet multiforme NOVO sur la représentation de la ville, sous forme d'installation, de forme scénique et de workshop.
En 2019, il crée Andere avec Mila Dargies, dont la diffusion est rapidement interrompue par la pandémie COVID-19. En 2020, il renoue avec le jeune public en créant le spectacle Pour Bien Dormir en collaboration avec l'illustrateur néerlandais Tjalling Houkema, explorant l'imaginaire fantastique de la nuit et des ombres. À partir de 2021, son projet POLAROïD aborde les questions de la mémoire et de l'oubli, avec la première qui a eu lieu à l'automne 2023 au TeatroRivoli à Porto (PT) / Fimp'23. 
En parallèle, il a collaboré avec plusieurs artistes, notamment Roman Paska, Zaven Paré, Baro d'Evel, Madeleine Louarn, Xavier Marchand, Sylvain Maurice, François Sarhan, Cyril Bourgois, Agnès Renaud, Silvano Voltolina, Ted Huffman, Kaori Ito...
Parallèlement à son travail artistique, Paulo Duarte s'engage dans la pédagogie en animant des ateliers liés à ses spectacles et en formant des étudiants, notamment à l'université Paul Valéry de Montpellier.