Er war Sohn des Malers Carl Ehrenberg und der ältere Bruder des Komponisten Carl Ehrenberg (1878–1962); die Brüder, die früh ihre Mutter verloren, wuchsen im Haus des Staatsarchivars Theodor Distel zusammen mit dessen Töchtern Hilde (* 1880) und Lilly (1882–1958) auf.
Er heiratete die Malerin Lilly Teufel. Ehrenberg war auch ein ausgezeichneter Violinist.
Von 1899 bis 1904 hatte er eine intensive Freundschaft mit Thomas Mann, der ihm auch den neunten Teil seiner Buddenbrooks widmete. Diese Freundschaft mit ihrer unerfüllten Homoerotik beschäftigte Thomas Mann noch bis ins hohe Alter, in dessen Tagebuch Ehrenberg als die „zentrale Herzenserfahrung meiner 25 Jahre“ bezeichnet wird. Er ist das Modell des Rudi Schwerdtfeger im Roman Doktor Faustus.
Paul Ehrenberg. In: Hans Vollmer (Hrsg.): Allgemeines Lexikon der bildenden Künstler des XX. Jahrhunderts. Band5: V–Z. Nachträge: A–G. E. A. Seemann, Leipzig 1961, S.451 (Textarchiv – Internet Archive – Leseprobe). (im Eintrag seines Vaters)
Helmut Keiber: „--dass du mir werth und wichtig bist“. Thomas Mann und Paul Ehrenberg. VPK, Verlag Pfälzer Kunst, Landau in der Pfalz, 2005, S. 18, 320, 321.
Oliver Fischer: „Man kann die Liebe nicht stärker erleben“. Thomas Mann und Paul Ehrenberg. Rowohlt, Hamburg 2024.