Павел Варфоломеев перешел в минское «Динамо» в декабре 2020 года.

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 сезона 2019/20 и начало сезона 2020/21.

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.

В составе «зубров» Варфоломеев перезапустил свою карберу. В 14 матчах регулярки набрал 5 (4+1) очков при показателе полезности «+3».

В плей-офф он стал лучшим снайпером команды: в четырех играх четыре голевых броска.

Павла Варфоломеева отличает сильный и точный кистьевой бросок. 

В сезоне-2021/22 Варфоломеев сыграл в 30 матчах регулярки и набрал 10 (6+4) очков. В плей-офф провел три игры, записал в свой актив 2 (1+1) результативных балла. Всего в КХЛ: 276 матчей, 109 (57+52) очков (данные на июнь 2022).