В 1847 году Десятов заканчивает Московское училище живописи и ваяния, где его наставником был большой мастер портрета С.К. Зарянко. В том же году Академия художеств присваивает ему звание неклассного художника. Начинается напряженная работа живописца, растет его мастерство. Павел Алексеевич пишет десятки портретов окружающих его современников. Его умение заинтересованно и живо переносить на полотно изображения своих моделей отмечалось еще в ранних работах художника ("Охотник и старуха с девочкой", 1845; "Старуха, учащая дочь свою грамоте", 1845; "Огородница с детьми", 1859). В 1856 году художнику присваивают звание "назначенного" в академики, через два года П.А. Десятов становится академиком. Среди портретов, написанных живописцем, особо следует выделить галерею портретов собратьев по краскам и кистям: И.К. Айвазовского, П.В. Басина, В.Л. Боровиковского, Ф.А. Бруни, А.Г. Венецианова, А.А. Иванова, Т.А. Неффа, А.О. Орловского, В.К. Шебуева и Сильвестра Щедрина. Широкую известность получили "Портрет историка С.М. Соловьева" (1872) и "Портрет жены" (1874). В 1859 году П.А. Десятов участвовал в росписях церкви Троицы на Грязи на Петровке в Москве, для которой исполнил композицию "Распятие". Велика заслуга художника в обучении многих молодых талантов: в течение сорока лет (с 1848) он преподавал в Московском училище живописи, ваяния и зодчества, а также в Строгановском (1860—1870-е) и Московском дворцовом архитектурном (1860-е) училищах.
