Paul Hallez est d'abord préparateur d'histoire naturelle puis répétiteur du cours de zoologie à la Faculté des Sciences de Lille sous la direction de Jules Gosselet. Il soutient sa thèse en 1878 réalisée à partir de travaux effectués à la station marine de Wimereux (Université Lille Nord de France) : " Contribution à l'histoire naturelle des Turbellariés " (Thèse de Doctorat, vol. in-4°, 225 pages, XI planches), couronnée par une médaille d'or de la Société des sciences, de l'agriculture et des arts de Lille. Il est maître de conférence à la Faculté de médecine de Lille de 1878 à 1881, puis maître de conférence à la chaire de zoologie de la Faculté des sciences de Lille de 1881 à 1882. Il succède à Alfred Giard comme professeur de minéralogie et de géologie à l'Institut industriel du Nord (École centrale de Lille). Il est professeur titulaire de la chaire de zoologie jusqu'en 1906, puis professeur à la chaire d'Anatomie et d'Embryologie comparées qu'il occupe jusqu'en 1919.
Il est le fondateur du laboratoire de biologie marine du Portel (Université Lille Nord de France) en 1888.
En 1872, né son fils Paul Antoine Hallez nommé comme son père Paul Hallez.