Memphis Grizzlies (2001-2008)
En su primera temporada con los Grizzlies, Gasol se convirtió en el primer jugador extranjero en ganar el Premio al Novato del Año de la NBA, y fue nombrado en el Primer Equipo de Novatos de la NBA. Promedió 17,6 puntos y 8,9 rebotes por partido, y fue también el único miembro del equipo que jugó los 82 partidos de esa temporada. Gasol lideró al equipo en anotación (19,0 puntos por partido) en su segundo año con los Grizzlies y, por segundo año consecutivo, jugó los 82 partidos. Gasol se perdió el primer partido de su carrera, durante su tercer año, por una lesión en el pie el 5 de abril de 2004, que rompió su cadena de 240 partidos consecutivos jugados. Consiguió el rebote número 1.500 de su carrera el 12 de noviembre de 2003, contra los Orlando Magic, y anotó el punto número 3.000 de su carrera el 31 de octubre de 2003, contra los Boston Celtics. A pesar de haber anotado 22 puntos en el cuarto partido contra los San Antonio Spurs, la cifra más alta de un jugador de Memphis en los playoffs, su equipo fue eliminado en la primera ronda, sin ganar ningún partido contra San Antonio. Este fue el primer viaje de los Grizzlies y de Gasol a los Playoffs de la NBA. Anotó 31 puntos y bloqueó cuatro tiros el 11 de enero de 2005 contra los Indiana Pacers para conseguir 5.000 puntos y 500 bloqueos en su carrera, convirtiéndose en el décimo jugador que más rápido alcanza los 5.000 puntos/500 bloqueos desde 1973-74. También ayudó a su equipo a llegar a los playoffs por segunda vez en su carrera, pero fueron eliminados en la primera ronda y no ganaron ni un solo partido contra los Phoenix Suns.
En su quinto año con los Grizzlies, se convirtió en el máximo reboteador de la franquicia de todos los tiempos el 24 de marzo contra los Knicks de Nueva York cuando cogió su rebote número 3.072 con el uniforme de los Grizzlies. Hizo 29 intentos de tiros libres consecutivos del 24 al 28 de enero, empatando la segunda mejor marca de la historia de los Grizzlies, incluyendo dos partidos seguidos en los que hizo 12-12 desde la línea, empatando la mejor marca de un solo partido en la historia de la franquicia. Gasol y los Grizzlies volvieron a los playoffs por tercera vez en su historia y en la de su equipo. Una vez más, fueron eliminados en la primera ronda y no ganaron ningún partido contra los Dallas Mavericks.
El 9 de febrero de 2006, haciendo su primera aparición, Gasol fue seleccionado para jugar en el Partido de las Estrellas de la NBA 2006 en Houston, Texas, como pívot reserva de la Conferencia Oeste. En ese momento, era uno de los cuatro jugadores clasificados entre los aleros de la Conferencia Oeste entre los diez primeros en puntos, rebotes, asistencias y tiros bloqueados. Fue el primer jugador de baloncesto español, así como el primer jugador de los Grizzlies en llegar al Partido de las Estrellas.
Gasol se perdió los primeros 23 partidos de la temporada 2006-07 de la NBA debido a una fractura de pie sufrida cerca del final de la victoria de España en la semifinal contra Argentina en el Campeonato Mundial de la FIBA 2006. Posteriormente, fue nombrado Jugador Más Valioso del torneo, que ganó España. El 29 de enero, contra los Sacramento Kings, anotó 34 puntos (la mayor cantidad de puntos anotados por un Grizzly esa temporada), logró ocho rebotes y empató el récord de su carrera y de la franquicia con ocho tapones, y superó a Shareef Abdur-Rahim como líder histórico de la franquicia en intentos de tiros libres el 31 de enero contra los Dallas Mavericks. Se convirtió en el líder de la franquicia de todos los tiempos en tiros de campo realizados el 6 de febrero contra los Houston Rockets, y se convirtió en el líder de la franquicia de todos los tiempos en minutos jugados el 7 de febrero en Dallas. Superó a Shareef Abdur-Rahim (7.801 puntos) como máximo anotador de todos los tiempos de los Grizzlies el 7 de marzo de 2007, contra los Toronto Raptors (7.809 puntos en ese momento). El 24 de enero de 2007, Gasol registró el segundo triple-doble de su carrera contra el anfitrión Utah Jazz, consiguiendo 17 puntos, 13 rebotes y 12 asistencias. El 1 de febrero de 2008, Memphis traspasó a Gasol a Los Ángeles Lakers junto con una selección de segunda ronda del draft de 2010 por Kwame Brown, Javaris Crittenton, Aaron McKie, los derechos de Marc Gasol (hermano menor de Pau) y selecciones de primera ronda del draft de 2008 y 2010. Ha habido cierta controversia en torno al intercambio. Chris Wallace negó en un artículo de ESPN que hubiera recibido órdenes del propietario Michael Heisley para hacer a los Grizzlies más atractivos para un posible comprador. Wallace dijo: «Nadie me presionó para hacer esto, y Michael Heisley ha sido realmente reacio a mover a Pau». También dijo que habían estado «trolleando» las aguas durante un tiempo y trataron con varios equipos. Seleccionó el acuerdo con los Lakers porque «no había nada mejor que esto». Cuando Gasol dejó los Grizzlies, tenía doce récords de la franquicia, incluyendo partidos jugados, minutos jugados, tiros de campo hechos, tiros libres hechos e intentados, rebotes ofensivos, defensivos y totales, tiros bloqueados, pérdidas de balón y puntos. En las estadísticas por partido, lidera a Memphis en rebotes defensivos y totales junto con los tiros bloqueados.
Los Ángeles Lakers (2008-2014)
El 5 de febrero, Gasol hizo su primera aparición en los Lakers en un partido contra los New Jersey Nets, durante el cual anotó 24 puntos y tuvo 12 rebotes en una victoria de 105-90 sobre los Nets. El 14 de marzo, Gasol se torció el tobillo en un partido contra los New Orleans Hornets, al pisar el pie de su compañero Vladimir Radmanović en el primer cuarto. Se esperaba que Gasol se perdiera los tres partidos restantes del viaje por carretera de los Lakers después de que las radiografías dieran negativo. Gasol volvió a la alineación titular el 2 de abril contra los Portland Trail Blazers y jugó casi treinta y dos minutos, registrando 10 puntos, seis rebotes y siete asistencias. Admitió sentirse limitado con la hinchazón de su tobillo aún presente. Gasol ayudó a los Lakers a terminar la temporada regular con el mejor récord de la Conferencia Oeste (57-25), con él en la alineación titular los Lakers fueron 22-5. Kobe Bryant también ha declarado que jugar con Gasol encajó desde el principio.
En el primer partido de los Lakers en los playoffs, aportó 36 puntos, 16 rebotes, 8 asistencias y 3 tiros bloqueados. Cuando los Lakers barrieron a los Denver Nuggets en la primera ronda, fue el primer viaje de Gasol a la segunda ronda en cuatro intentos. Su anterior equipo, los Grizzlies, no llegó a los playoffs por segundo año consecutivo. Contribuyó con 17 puntos y 13 rebotes en el sexto partido contra los Utah Jazz para ayudar a los Lakers a pasar a las finales de conferencia. El 31 de mayo, registró 19 rebotes, la cifra más alta de su carrera, en la victoria de la serie contra los San Antonio Spurs, y se convirtió en el primer español en llegar a las finales de la NBA. Gasol anotó 14,7 puntos por partido con un promedio de 0,532 en tiros en las Finales de 2008 contra los Boston Celtics, lo que estaba por debajo de su promedio de anotación de 18,9 durante la temporada regular. Sin embargo, lideró a los Lakers en rebotes con 10,2 por partido durante toda la serie del campeonato, por encima de su promedio de la temporada regular de 8,4. Los Ángeles perdió en seis partidos contra Boston en las Finales, incluyendo una derrota por 131-92 en el sexto partido. En los Playoffs, Gasol fue el segundo líder de los Lakers en puntos (16,9), rebotes (9,3) y asistencias por partido (4,0). Fue el líder en bloqueos por partido (1,90) y estuvo empatado con Lamar Odom con la mayor cantidad de dobles-dobles en la postemporada (10).
El 2 de enero de 2009, en una victoria contra los Utah Jazz, Gasol anotó el punto número 10.000 de su carrera. Gasol consiguió su segunda aparición en el All-Star como reserva del equipo de la Conferencia Oeste durante la temporada 2008-09 de la NBA, su primera como Laker. También fue nombrado Jugador del Mes de la Conferencia Oeste tras ayudar a los Lakers a conseguir un récord de 11-2 en el mes de febrero, que incluía victorias en la carretera contra Boston y Cleveland. Terminó la temporada regular con unos promedios de 18,9 puntos, 9,6 rebotes, 3,5 asistencias y 1 tapón por partido. Gasol ganó entonces su primer anillo de campeón de la NBA cuando los Lakers derrotaron a los Orlando Magic en las Finales de 2009.
El 24 de diciembre de 2009, Gasol firmó una extensión de 3 años con los Lakers por valor de 64,7 millones de dólares. Gasol consiguió su tercera aparición en el All-Star como reserva de la Conferencia Oeste y terminó la temporada regular con unos promedios de 18,3 puntos, 11,3 rebotes, 3,4 asistencias y 1,7 tapones. En el sexto partido de la primera ronda, Gasol capturó 18 rebotes y su canasta en el último segundo eliminó a los Oklahoma City Thunder. En las semifinales de conferencia contra los Utah Jazz, promedió 23,5 puntos y 14,5 rebotes, y finalmente en las finales de conferencia contra los Phoenix Suns, promedió 19,7 puntos con 7,2 rebotes. En el séptimo partido de las Finales de la NBA contra los Boston Celtics, Gasol anotó 19 puntos, (6-16 FGM-A, 7-13 FTM-A) cogió 18 rebotes y registró dos tapones cuando los Lakers repitieron como campeones. En 2010, fue elegido como el 15º atleta más inteligente del deporte por Sporting News.
Desafiado por el entrenador de los Lakers, Phil Jackson, a ser más asertivo mientras Bryant se recuperaba de una operación de rodilla fuera de temporada, Gasol comenzó la primera semana de la temporada promediando 25,3 puntos con un 52,5 por ciento de tiros, 10,3 rebotes y cinco asistencias por partido mientras los Lakers empezaban 3-0. Fue nombrado Jugador de la Semana de la Conferencia Oeste. Obtuvo su tercera selección consecutiva para el All-Star y sus promedios de temporada de 19 puntos y 10 rebotes fueron casi idénticos a los que había conseguido como Laker las tres temporadas anteriores. El juego de Pau también le hizo merecedor del segundo equipo del All-NBA por primera vez en su carrera. En los playoffs, Gasol sólo promedió 13 puntos con un 42% de tiro en 10 partidos, y los Lakers fueron barridos por los Dallas Mavericks en la segunda ronda. Gasol tuvo la peor actuación de su carrera en la postemporada. Magic Johnson, miembro del Salón de la Fama de los Lakers y analista de ESPN, citó a Gasol como una posible opción de intercambio para que los Lakers adquirieran al pívot de los Magic Dwight Howard. Gasol ignoró las falsas informaciones sobre su estado sentimental con su novia como causa de su bajo rendimiento y ha aceptado las críticas a su juego como válidas. Durante la temporada 2011-12 de la NBA, Gasol y su compañero de equipo Lamar Odom fueron objeto de rumores de intercambio que involucraban al ex guardia de los New Orleans Hornets, Chris Paul. Después de que el intercambio se frustrara, Gasol prometió que no afectaría a su forma de jugar. Odom, por su parte, se enfadó con la organización de los Lakers y fue traspasado a los Dallas Mavericks, campeones de la NBA en 2010-11, a cambio de una futura elección de primera ronda. Después de que el co-capitán de los Lakers, Derek Fisher, fuera traspasado en marzo de 2012, Gasol se unió a Bryant como co-capitán del equipo. Ganó el Premio a la Asistencia Comunitaria de la NBA de la temporada 2011-12.
Después de un comienzo de 1-4 en la temporada 2012-13, los Lakers sustituyeron al entrenador jefe Mike Brown por Mike D’Antoni. Gasol tenía problemas después de siete partidos bajo el mando de D’Antoni, con un promedio de 10,1 puntos y 8,0 rebotes mientras tiraba un 38,8 por ciento, y fue enviado al banquillo en el cuarto trimestre en múltiples partidos. El equipo tuvo dificultades para involucrar a Gasol en la ofensiva de D’Antoni, que históricamente no había tenido jugadores de poste jugando al frente. Gasol ocupó sólo el puesto 27 de la liga en puntos en el poste, con 2,7 por partido, por debajo de las temporadas anteriores, cuando fue quinto en 2010-11 y noveno en 2011-12. El 18 de noviembre de 2012, en una victoria contra los Houston Rockets, Gasol anotó el punto número 15.000 de su carrera. Aquejado por una tendinitis en ambas rodillas desde el campo de entrenamiento, Gasol se sentó ocho partidos en diciembre antes de regresar a la alineación titular. Más tarde, se le diagnosticó una fascitis plantar, pero siguió jugando. El gerente general Mitch Kupchak dijo a los abonados de los Lakers que el equipo necesitaba que Gasol participara más. El 7 de enero de 2013, Gasol recibió un golpe en la cara de JaVale McGee, de Denver, en el último cuarto de una derrota por 112-105. Sufrió una conmoción cerebral que le obligó a perderse los siguientes cinco partidos. En su primer partido de vuelta, salió desde el banquillo después de haber sido titular en sus primeros 345 partidos con los Lakers. En el siguiente partido, volvió a la alineación titular y anotó 25 puntos contra Toronto, sólo su segundo partido de 20 puntos de la temporada. Sin embargo, en el siguiente partido, el 21 de enero, D’Antoni desplazó a Gasol a un papel de reserva y dio entrada a Earl Clark, un cambio que el entrenador consideró permanente. El 5 de febrero, contra los Brooklyn Nets, Gasol se rompió la fascia plantar de su pie derecho. Gasol se había pinzado la fascia en la primera mitad, pero jugó con el dolor hasta que sintió que se reventaba cuando intentó bloquear un tiro de Brook Lopez hacia el final del partido. Regresó más de seis semanas después, el 22 de marzo, tras perderse 20 partidos, y D’Antoni le devolvió la titularidad por encima de Clark. Tras un periodo de adaptación de dos partidos, el juego de Gasol fue sólido, y Bryant insistió en que Gasol recibiera el balón en el poste. D’Antoni declaró que Gasol había jugado bien desde enero, y atribuyó los problemas anteriores del alero a las lesiones y a la evolución del sistema ofensivo del equipo. «Tengo mucha más confianza en él ahora, y está jugando muy bien», dijo D’Antoni. Terminó la temporada con los mínimos de su carrera en puntos (13,7) y porcentaje de tiros de campo (.466), y sus rebotes (8,6) fueron los más bajos desde su primera temporada en Los Ángeles. Su participación en 49 partidos fue la más baja de su carrera. Sin embargo, tuvo tres triples-dobles en sus últimos siete partidos, incluyendo los playoffs.
Gasol debía 19,3 millones de dólares en 2013-14 en el último año de su contrato, que costó a los Lakers alrededor de 50 millones de dólares incluyendo los impuestos de lujo. Se convirtió en agente libre después de la temporada.
Chicago Bulls (2014-2016)
El 18 de julio de 2014, Gasol firmó con los Chicago Bulls. Dijo tras ser presentado: «Fue una sensación visceral. Pensé que Chicago iba a ser la mejor opción para mí. Es un gran reto, pero a mí me mueven los retos. Estoy deseando que llegue».
El 1 de enero de 2015, Gasol registró un récord de carrera con 9 tapones, junto con 17 puntos y 9 rebotes, en la victoria por 106-101 sobre los Denver Nuggets. Diez días más tarde, anotó un récord de carrera de 46 puntos en 17 de 30 tiros en una victoria 95-87 sobre los Bucks de Milwaukee. El 9 de abril de 2015, registró su 51º doble-doble de la temporada en la liga, con 16 puntos y 15 rebotes en la victoria por 89-78 sobre los Miami Heat. Registró su 54º doble-doble de la temporada en el final de la temporada regular el 15 de abril contra los Atlanta Hawks para terminar como el líder de la liga en dobles-dobles en 2014-15.
El 5 de diciembre de 2015, Gasol se convirtió en el jugador número 116 en alcanzar los 1.000 partidos de temporada regular. Tuvo 13 puntos y 11 rebotes contra los Charlotte Hornets para su noveno doble-doble de la temporada. El 25 de enero de 2016, registró el primer doble-doble de su carrera en el primer cuarto con 13 puntos y 10 rebotes. Terminó el partido con 19 puntos y 17 rebotes, ya que los Bulls fueron derrotados por los Miami Heat 89-84. El 9 de febrero, Gasol fue nombrado sustituto de Jimmy Butler en el equipo de las estrellas de la Conferencia Este de 2016. El 27 de febrero, registró el octavo triple-doble de su carrera y el primero como Bull con 22 puntos, 16 rebotes y un máximo de 14 asistencias en una derrota por 103-95 ante los Portland Trail Blazers. A los 35 años, se convirtió en el jugador de mayor edad en registrar un triple-doble desde que Kobe Bryant lo hiciera a los 36 años en 2014. El 7 de marzo, registró su segundo triple-doble de la temporada con 12 puntos, 17 rebotes y 13 asistencias en una victoria por 100-90 sobre los Milwaukee Bucks, convirtiéndose en el cuarto jugador de 35 años o más con múltiples triples-dobles en una temporada, uniéndose a Jason Kidd, Kobe Bryant y Paul Pierce. El 2 de abril, en una derrota ante los Detroit Pistons, se convirtió en el 38º jugador de la NBA en alcanzar los 10.000 rebotes en su carrera. También se convirtió en el 36º con 10.000 puntos y 10.000 rebotes.
San Antonio Spurs (2016-2019)
El 14 de julio de 2016, Gasol firmó con los San Antonio Spurs. El 11 de noviembre de 2016, tuvo máximos de temporada con 21 puntos y seis asistencias en una victoria por 96-86 sobre los Detroit Pistons. El 19 de enero de 2017, fue descartado indefinidamente después de romperse el dedo anular izquierdo durante los calentamientos previos al partido esa misma noche. Fue operado al día siguiente para reparar una fractura del cuarto metacarpiano izquierdo. El 24 de febrero de 2017, en una victoria por 105-97 sobre Los Ángeles Clippers, Gasol consiguió 17 puntos y 11 rebotes desde el banquillo en su regreso tras una ausencia de 15 partidos por la lesión en el dedo. El 12 de abril de 2017, Gasol anotó 13 puntos para alcanzar los 20.000 puntos en su carrera en una derrota por 101-97 en el final de la temporada regular contra los Utah Jazz, convirtiéndose en el segundo jugador europeo en alcanzar la marca después de Dirk Nowitzki.
El 24 de julio de 2017, Gasol volvió a firmar con los Spurs. El 20 de diciembre de 2017, tuvo 20 puntos y un récord de temporada de 17 rebotes en una victoria 93-91 sobre los Portland Trail Blazers. El 23 de diciembre de 2017, registró el décimo triple-doble de su carrera con 14 puntos, 11 rebotes y un récord de temporada de 10 asistencias en una victoria por 108-99 sobre los Sacramento Kings. El 26 de diciembre de 2017, en una victoria por 109-97 sobre los Brooklyn Nets, Gasol recogió su rebote número 10.817, superando a Jack Sikma en el puesto 30 de la historia de la liga. El 26 de enero de 2018, en una derrota por 97-78 ante los Philadelphia 76ers, Gasol se convirtió en el 34º jugador de la historia de la NBA en jugar 40.000 minutos de carrera. El 25 de marzo de 2018, tuvo 22 puntos en 10 de 15 tiros y capturó 13 rebotes en una derrota por 106-103 ante los Milwaukee Bucks.
Después de aparecer en los primeros nueve partidos de la temporada 2018-19, Gasol se perdió los siguientes 26 partidos con una fractura por estrés en su pie derecho. El 1 de marzo de 2019, fue liberado por los Spurs en un acuerdo de compra.
Milwaukee Bucks (2019)
El 3 de marzo de 2019, Gasol firmó con los Milwaukee Bucks. Jugó en tres partidos con los Bucks. El 23 de marzo, se informó que los Bucks esperaban que Gasol se perdiera el próximo mes debido a una lesión en el tobillo izquierdo. La lesión de Gasol puso fin a su temporada. No pudo jugar en los playoffs y fue operado de su pie lesionado el 9 de mayo de 2019.
Portland Trail Blazers (2019)
El 25 de julio de 2019, Gasol firmó con los Portland Trail Blazers. El 20 de noviembre, fue renunciado por los Trail Blazers sin haber jugado un partido con el equipo.
Esfuerzo de regreso
El 9 de diciembre de 2020, Gasol expresó su deseo de volver a la NBA, señalando un regreso a los Lakers como su destino soñado para poder jugar con su hermano Marc.
Vuelta al FC Barcelona
El 23 de febrero de 2021, Gasol regresó a España para jugar en el FC Barcelona de la Liga ACB.