Хартли — воспитанник клубов «Хиберниан» и «Гамильтон Академикал». В последнем он начал профессиональную карьеру. В 1996 году Пол перешёл в английский «Миллуолл». Сумма трансфера составила 380 тыс. фунтов. По окончании сезона он вернулся на родину в «Рэйт Роверс». В 1998 году Хартли присоединился к родному «Хиберниану» и помог команде выйти в шотландскую Премьер-лигу[1]. Следующий сезон он на правах аренды провёл в «Гринок Мортон»[2].
В 2000 году Пол перешёл в «Сент-Джонстон»[3]. В начале он выступал на позиции центрального полузащитника, но вскоре тренер перевёл его в нападение. Несмотря на яркую игру Хартли, его клуб вылетел в первый дивизион. Пол не покинул команду и был удостоен одной из наград второй по силе лиге Шотландии, но это не помогло «Сент-Джонстону» вернуться в элиту.
Летом 2003 года он на правах свободного агента перешёл в «Харт оф Мидлотиан». В первом сезоне Хартли помог «сердцам» занять третье место в чемпионате. В начале 2005 года «Селтик» хотел подписать Пола за 300 тыс. фунтов, но руководство «Хартс» отклонило предложение и подписало с игроком улучшенный контракт. В полуфинале Кубка Шотдандии Хартли сделал хет-трик в ворота своего бывшего клуба «Хиберниана» и помог команде выйти в финал, где реализовал пенальти и стал обладателем трофея[4]. В начале 2007 года интерес к Полу проявляли «Рейнджерс»[5] и «Астон Вилла»[6].
Летом того же года он перешёл в «Селтик», подписав контракт на два с половиной года[7]. Сумма трансфера составила 1,1 млн фунтов. В составе «кельтов» Пол дважды стал чемпионом Шотландии, а также выиграл национальный кубок и Кубок лиги. 15 августа в отборочном матче Лиги чемпионов против московского «Спартака» Хартли забил свой первый гол за «Селтик»[8]. 17 августа в матче против «Данди Юнайтед» он забил свой первый гол за команду в чемпионате[9]. С приходом в клуб Тони Моубрея Хартли потерял место в составе и покинул клуб[10].
Летом 2009 года Пол подписал контракт с английским «Бристоль Сити». 8 августа в матче против «Престон Норт Энд» он дебютировал за новый клуб[11]. В этом же поединке Хартли забил свой первый гол за клуб, реализовав пенальти. Летом 2010 года Пол присоединился к «Абердину». 14 августа в матче против своего родного клуба «Гамильтон Академикал» он дебютировал за новую команду[12]. В этом же поединке Хартли сделал хет-трик, реализовав три пенальти. В конце сезона 2010/2011 Пол объявил о завершении карьеры, последние несколько месяцев он не играл из-за травмы колена[13].