Свой путь в хоккее Павел начинал в школе «Металлурга» из родного Магнитогорска. Затем провел три сезона в МХЛ в составе «Мамонтов Югры», с которыми выиграл бронзовые медали.

Первый матч в КХЛ провел 11 ноября 2014 года за «Югру». Всего в дебютном сезоне сыграл 4 матча. Следующие два сезона провел в ВХЛ в составе «Рубина».

С сезона 2015/2016стоянно играет в КХЛ, в его послужном списке были «Югра», «Металлург» из Магнитогорска, «Торпедо» и «Витязь», в котором форвард провел концовку предыдущего и начало нынешнего сезона.

Всего в КХЛ Варфоломеев сыграл в 225 матчах, набрал 88 (42+46) очков.

В декабре 2017 года был выбран лигой на Матч звезд КХЛ 2018 в команду Дивизиона Харламова, как представитель «Югры». На Звёздном уикэнде провёл два матча набрав 4 (1+3) очка.