Paul César Helleu nacque il 17 dicembre 1859 a Vannes, in Bretagna.
Iniziò l'attività artistica come ceramista; all'età di 17 anni si recò a Parigi per studiare alla Scuola di Belle Arti, nonostante la disapprovazione di sua madre, da poco rimasta vedova.
A Parigi, Helleu conobbe John Singer Sargent diventandone in breve uno degli amici più intimi.

Helleu faticava a vendere le sue opere; questo lo scoraggiò profondamente, portandolo sul punto di abbandonare l'attività artistica.
Fu Sargent a convincerlo a continuare, fornendogli anche un importante aiuto economico.
Nel 1884 ad Helleu fu commissionata la pittura di un ritratto di una giovane donna di nome Alice Guerin.
I due si innamorarono e si sposarono il 28 luglio 1886.
Alice divenne la sua modella preferita; affascinante, raffinata ed elegante, lo aiutò ad introdursi nei circoli aristocratici di Parigi, fino a diventare uno degli artisti più popolari nell'alta società francese della fine del diciannovesimo secolo.
Fu in questi anni che produsse la maggior parte delle sue opere più importanti, soprattutto ritratti di molte delle donne più famose e belle del suo tempo.

Nel 1912 completò la decorazione del soffitto del Grand Central Terminal di New York.
All'inizio degli anni '20 capì che le donne non desideravano più essere viste nella loro eleganza femminile: la Belle époque era finita.
Perse allora l'ispirazione e si ritirò a vita privata con la sua famiglia.
Morì di peritonite il 23 marzo 1927 a Parigi.