После окончания курсов усовершенствования офицерского состава ВВС Павел Романович Попович служил летчиком, старшим летчиком, начальником штаба эскадрильи в истребительных авиационных полках.

В 1960 г. П. Р. Попович зачислен слушателем-космонавтом в отряд космонавтов ЦПК ВВС первого Гагаринского набора, где в результате являлся старшим группы слушателей.

После сдачи выпускных экзаменов по ОКП он был зачислен на должность космонавта ЦПК ВВС и начал подготовку к первому пилотируемому полету на КК «Восток» вместе с Валерием Быковским, Юрием Гагариным, Григорием Нелюбовым, Андрияном Николаевым и Германом Титовым.

Первый полет Павел Романович Попович выполнил с 12 по 15 августа 1962 г. в качестве пилота КК «Восток-4» в совместном полете с КК «Восток-3», который пилотировал А. Николаев. Продолжительность полета составила 22 часа 57 минут.

В 1964 г. Павел Романович был назначен инструктором-космонавтом. Позднее — старшим инструктором-космонавтом, заместителем командира 2-го отряда космонавтов, заместителем начальника 1-го управления по подготовке космонавтов, начальником этого управления.

В сентябре 1966 г. П. Р. Попович возглавил сформированную группу космонавтов для подготовки к полетам на КК «Звезда» в рамках военной программы. Через год программу «Звезда» закрыли, и он был зачислен в группу по программе облета Луны на КК «Л-1».

В этот же период без отрыва от службы П. Р. Попович успешно закончил ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского.

Второй полет П. Р. Попович выполнил с 3 по 19 июля 1974 г. в качестве командира корабля «Союз-14» и 1-й основной экспедиции (ЭО-1) на ОПС «Салют-3» вместе с Ю. Артюхиным. Продолжительность полета составила 15 суток 17 часов 30 минут 28 секунд.

В 1978 г. П. Р. Попович назначается заместителем начальника ЦПК ВВС по научно-испытательной и исследовательской работе.

В декабре 1989 г. его прикомандировали к Государственному агропромышленному комитету СССР с оставлением на действительной военной службе и назначили директором ВНИЦ «АИУС-агроресурс».

После увольнения из рядов Вооруженных Сил Павел Романович много сил отдал общественной работе. С 1994 г. он являлся президентом Благотворительного фонда имени первого космонавта планеты Ю. А. Гагарина, президентом Фонда социальной поддержки ветеранов Вооруженных Сил.

Автор более 15 научных публикаций, ряда автобиографических и мемуарных книг, среди которых «Вылетаю утром» (1974 г.), «Космонавтика человечеству» (1981 г.), «Нескончаемые дороги Вселенной» (1985 г.), «Робинзоны Вселенной», «Испытано космосом и Землей» и другие.

Награжден 2 орденами Ленина, орденом Дружбы народов, орденом Красной Звезды, орденом Почета, орденом «За заслуги перед Отечеством» 4 степени, многими медалями.

Награжден также медалью «Золотая Звезда» Героя Труда ДРВ, медалью Республики Куба, орденом князя Ярослава Мудрого 4 степени (Украина).

Его именем назван горный хребет в Антарктиде и малая планета.

На родине героя установлен памятный бронзовый бюст.