Entrato nell'ordine Servita nel 1565, assunse il nome di Fra' Paolo. Nel 1579 si laureò all'Università di Padova e da allora visse principalmente a Venezia, con frequenti visite a Roma per curare gli affari dell'Ordine. Mantenne una voluminosa corrispondenza con stranieri, molti dei quali protestanti, cercando di essere sempre pienamente informato degli sviluppi in ogni campo, compreso quello scientifico. Rilevò, e in parte spiegò, le valvole venose, di fondamentale importanza per la successiva scoperta della circolazione del sangue. Fu il primo in Italia a venire a conoscenza dell'invenzione olandese del telescopio e tenne un quaderno di speculazioni scientifiche e filosofiche, molte delle quali sul moto. Incontrò Galileo (1564-1642) probabilmente alla fine del 1592 e, da allora, partecipò alle sue principali indagini scientifiche fino al 1606, quando fu coinvolto, col ruolo di protagonista principale, nella cosiddetta Guerra dell'Interdetto, che indusse le autorità ecclesiastiche a togliere alla Serenissima Repubblica di Venezia i sacramenti e gli uffici sacri. Sarpi recitò una funzione fondamentale nei rapporti che Galileo stabilì nel 1609 con il governo veneziano in relazione al telescopio.