Sabatier studierte ab 1872 Naturwissenschaften mit Schwerpunkt Physik an der École normale supérieure und der École polytechnique. Nach dem Abschluss 1877 war er Physiklehrer an einem Gymnasium (Lycée) in Nimes, setzte aber sein Studium 1878 in Paris bei Louis Pasteur und Marcelin Berthelot am Collège de France fort und wurde 1880 bei Berthelot über anorganische Schwefelverbindungen promoviert. Ab 1880 lehrte er in Bordeaux (Faculté des Sciences) und ab 1882 in Toulouse (in Physik und Chemie). 1884 wurde er dort Professor für Chemie. 1930 wurde er emeritiert.
Die medizinisch-naturwissenschaftliche Universität von Toulouse („Toulouse III“) trägt seinen Namen. Der Sabatier-Prozess, ein Methangewinnungsverfahren, wurde nach ihm benannt, wurde aber mit Jean Baptiste Senderens entwickelt. Mit Senderens fand er das nach beiden benannte Verfahren der katalytischen Hydrierung: Sie ließen ein Gemisch aus Wasserstoff und Ethen über feinverteilten Nickel strömen und fanden, dass sich Ethan bildete. Ähnlich gelang ihnen die Hydrierung bei anderen ungesättigten organischen Verbindungen. Die industrielle Umsetzung überließen sie aber anderen, zum Beispiel Wilhelm Normann bei der Fetthärtung (meldeten aber z. B. ein Patent für Härtung von Ölen mit ihrem Hydrierverfahren an).
Recherches thermiques sur les sulfures (thèse), 1880, Paris (online)
Leçons élémentaires de chimie agricole, 1890 (online)
La catalyse en chimie organique, erste Auflage 1913 (online), deutsche Übersetzung von Hans Finkelstein 1914 (online), zweite erweiterte Auflage 1920 (online), englische Übersetzung Catalysis in organic chemistry von E. E. Reid 1922 (online), Die Katalyse in der organischen Chemie, nach der zweiten französischen Auflage übersetzt von Berthold Finkelstein, 1927
↑Académicien décédé: Paul Sabatier. Académie royale des Sciences, des Lettres et des Beaux-Arts de Belgique, abgerufen am 20. Dezember 2023 (französisch).
↑Martine François: SABATIER Paul. In: Comité des travaux historiques et scientifiques CTHS. Institut rattaché à l’École nationale des chartes, 23. November 2023, abgerufen am 9. Januar 2024.