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Issu d'une famille d’origine arménienne, Paul Motian, grandit à Providence (Rhode Island). Enfant, son intérêt pour les westerns l'amène à prendre ses premières leçons de guitare. Dans sa famille non musicienne mais très mélomane, il se nourrit de variété américaine et de musiques traditionnelles arméniennes . Il étudie ensuite la batterie, à l'âge de douze ans et joue alors dans des orchestres scolaires jusqu'à son entrée au collège en 1949. C’est à l’âge de quinze ans qu’il commence à découvrir le jazz. Puis il participe à des concerts locaux aux environs de la ville de Providence. Engagé dans un orchestre, il part en tournée en Nouvelle-Angleterre. Il écoute alors les novateurs de l'époque : Charlie Parker, Bud Powell, Dizzy Gillespie mais aussi Max Roach.
Keith Jarrett fait appel à Paul Motian et à Charlie Haden pour la création de son nouveau trio en 1968 ; la formation est augmentée en 1972 du saxophoniste Dewey Redman. La collaboration sera régulière jusqu’en 1977 et enregistrera de nombreux disques pour Atlantic, Impulse! puis ECM.
Ambiance sonore plus que musique de film, Paul Motian est l’auteur en 1970 de la bande-son de Punishment Park, le long-métrage réalisé par Peter Watkins.
Manfred Eicher produira les premiers disques en leader du batteur sur sa firme ECM : Conception Vessel, en 1972 dans lequel on trouve notamment son goût pour les musiques traditionnelles (d’Arménie : Georgian Bay, du Japon : Ch'i Energy, du Vietnam : Inspiration from a Vietnamese Lullaby et des Indiens d’Amérique : American Indian : Song of Sitting Bull) ainsi qu’un duo avec Keith Jarrett. Puis l’album Tribute en 1974.
À la fin des années 1990, il fonde le Trio 2000 + 1 avec, comme membres réguliers, Chris Potter (saxophone) et Larry Grenadier (contrebasse) auxquels s’ajoute un ou plusieurs musiciens invités. À la même période, il crée l’Electric Bebop Band regroupant deux guitaristes, deux saxophonistes, une basse et la batterie du leader, ce groupe revisitant pour la plupart, le répertoire bebop. Ces deux formations sont produites par la firme discographique allemande Winter & Winter.
Si depuis le milieu des années 2000, Paul Motian avait décidé de ne plus se produire à l’étranger, ce n’était nullement pour des raisons de santé mais à cause d'une certaine fatigue de la fréquence de ses voyages passés. Après avoir fêté ses 80 ans, c'était à New York que le musicien avait décidé de poursuivre sa longue carrière musicale, obligeant les musiciens européens à se rendre aux États-Unis pour enregistrer avec le batteur (Songs From The Last Century avec Daniel Yvinec, Guillaume de ChassyMark Murphy et Alexandra Grimal).
Coloriste et créateur d’ambiance plus que rythmicien, le style de Paul Motian bouleverse les conventions de la batterie. La grosse caisse lui sert davantage à accentuer ses phrases musicales qu’à marquer le tempo (After Dark in Paul Bley Quartet de Paul Bley). Son jeu de balais impeccable et la délicatesse de son toucher font de lui un musicien facilement identifiable. Sa capacité d'aborder la batterie de manière mélodique ou rythmique s'inscrit facilement dans le concept initié par Bill Evans puis développé par la suite par Jimmy Giuffre où le rôle de chaque musicien est interchangeable (Not Two, Not One avec Paul Bley et Gary Peacock). Car, fait nouveau dans cette discipline, Paul Motian est un mélodiste de la batterie. Enfin, ses qualités de compositeur ont permis à d'autres musiciens l’enregistrement d’albums entièrement dévolus à la musique du batteur (Joel Harrison, The Music of Paul Motian).