Ensimmäisiä ihmisiä saapui Paanajärvelle 4000-5000-luvulla eKr. He saivat toimeentulonsa keräämällä syötäviä kasveja, metsästämällä ja kalastamalla. Tästä todistavat kivityökalut ja saviastiat, joita on löydetty Paanajärven ja Pääjärven rannoilta. Paikallisten talonpoikien viime vuosisadan lopulla löytämä kivitaltta on nyt säilytettävänä Helsingissä Kansallismuseossa. Sodanjälkeisenä kautena Pääjärven tienoilta löytyi 15 muinaisihmisen asutusta (kivikaudelta rautakauteen).

Keskiaikana Paanajärven seutua asuttivat saamelaisheimot. Tämän kauden muistomerkkejä ovat Nuorusen ja Kivakka-tunturin kulttimenopaikat. Rakennettaessa maantietä Tavajärven läheltä löydettiin 1000-1100-luvulta peräisin olevia saamelaisia hopeakoruja. On olemassa myös keskiaikaisia kirjallisia lähteitä, joiden mukaan saamelaiset asuivat Paanajärven – Pääjärven seudulla muinaisajoilta asti.

1100-1300-luvuilla Paanajärvi samoin kuin koko Pohjois-Lappi kuului Novgorodin suurruhtinaskuntaan. 1595 tsaari Iivana III kukisti Novgorodin, minkä jälkeen Paanajärvi muiden isännättömien alueiden joukossa siirtyi Ruotsin kuningaskunnalle.

Alussa kiellettiin perustamasta uusia suomalaisia asutuksia. Samalla jatkuneet sodat pakottivat karjalasiväestön siirtymään Venäjältä Paanajärven ja Pääjärven rauhallisempiin metsiin. Esimerkiksi Sirkisen (Sergejevin) suku muutti Paanajärvelle Kostamuksesta.

Ratkaisevaksi Paanajärven seudun asuttamisessa tuli vuosi 1673, jolloin kuninkaan määräyksestä Lappiin sallittiin perustaa uusia asutuksia ja uudisasukkaat vapautettiin 15 vuodeksi kaikista veroista. Vuonna 1769 Paanajärvelle tuli ensimmäisiä suomalaisia. Törmänen osti karjalaiselta Maronovilta jo 60 vuotta vanhan Kallioniemen tilan järven länsipäässä.

1500-1600-luvulla saamelaiset työnnettiin pohjoiseen. 1700-luvun lopussa Paanajärvellä oli jo viisi suomalaista tilaa, joista neljä oli Ruotsin puolella ja yksi Venäjän alueella.

Kun Venäjän ja Ruotsin välisistä sodista oli tullut loppu, vuoden 1809 rauhansopimuksen mukaan Paanajärvi samoin kuin koko Suomikin tuli osaksi Venäjää. Silloin kylässä asui enintään 60 henkeä.

Vuosina 1842 ja 1849 Venäjän ja Suomen suuriruhtinaskunnan välistä rajaa tarkistettiin, minkä tuloksena Paanajärvi ympäristöineen joutui kokonaan Suomelle.

Melkein koko 1800-luvun aikana väkiluku pysyi samana. Sen kasvua estivät 1830-luvun viisi peräkkäin sattunutta katovuotta ja vuoden 1867 nälkävuosi sekä idästä tulleet kulkutaudit. Vuosina 1868-1870 monet asukkaat lähtivät Paanajärveltä. Ja ainoastaan vuosisadan lopulla väkiluku Paanajärvellä alkoi kasvaa: kylässä asui noin 450 henkeä.

Paanajärven seutu oli otollinen maanviljelylle. Parhaina vuosina viljää riitti ei vain omiin tarpeisiin, vaan myös myytäväksi. Vilja jauhettiin Mäntykosken myllyssä. Lähes kaikki asukkaat pitivät poroja.

Vuodesta 1890 alettiin kaataa metsää. Rusanovin Venäläinen metsäteollisuusyritys avasi Rajalaan oman konttorinsa. Metsää uitettiin Oulankajokea pitkin.

Vuosisadan vaihteessa Paanajärvestä tuli suosittu turistikohde. Vuosittain siellä vieraili tuhat matkailijaa. Heidän joukossaan olivat Axel Gallén (tuleva Akseli Gallen-Kallela) ja kuuluisa valokuvaaja Into Konrad Inha. Taulunsa Paanajärven paimenpoika, Palokärki, Mäntykoski, piirustukset ja luonnot. Gallen-Kallela maalasi matkan aikana vuonna 1892. Inhan tekemät valokuvat ovat säilyttäneet meille viime vuosisadan lopun Paanajärven. Heinäkuussa 1914 Paanajärvellä kävi kirjailija Ilmari Kianto.

Vuonna 1905 kylään avattiin koulu. Se oli Kuusamon toinen koulu. 1906 Paanajärvelle alettiin rakentaa maantietä etelästä päin, Vuotungista.

Joulukuussa 1917 Suomesta tuli itsenäinen. Suomen ja Venäjän välinen raja sulkeutui, katkesivat myös perinteiset kauppayhteydet Vienan Karjalaan.

1920-luvun keskivaiheilla parannettiin Paanajärven-Vuotungin maantietä. Autot pääsivät Paanajärvelle, ja elinkeinoelämä vilkastui huomattavasti. 1926 avattiin pankkikonttori ja terveyskeskus.

1934 Paanajärvelle rakennettiin toinen tie pohjoisesta Liikasenvaaran kautta. Siitä tuli osa Karhupiiri-nimistä turistireittiä.

1930-luvun sääolosuhteet olivat harvinaisen otolliset. Saatiin ennen näkemättömän suuri ruissato ja jopa vehnäsatokin.

1936 rakennettiin Leinon saha, josta sai työtä 25-30 paikallista asukasta. Turistien määrä kasvoi, heitä kuljetettiin järveä pitkin moottoriveneellä. 1937 rakennettiin kirkko.

Paanajärven kylä oli Kuusamon vauraimpia. Siellä oli kirkko, kolme koulua, neljä kauppaa, posti, pankki, terveyskeskus, hautuumaa, poliisiasema ja raja-asema. Asukasluku oli 738 henkeä. Sen ympärillä sijaitsi 61 maaviljelijätila. Pääelinkeinoina pysyivät maanviljely ja karjanhoito.

Tieto Neuvostoliiton hyökkäyksestä Suomea vastaan tuli Paanajärvelle illalla 30. marraskuuta 1939, ja seuraavana päivänä asukkaat saivat määräyksen evakuoitua Kuusamoon. Ensimmäisinä lähtivät naiset ja lapset. Koko karja piti teurastaa. Käytännöllisesti katsoen kaikki rakennukset poltettiin.

Talvisodan päätyttyä 165 340 hehtaarin alue Paanajärven ympärillä siirtyi Neuvostoliitolle. Yli 2100 asukkaasta tuli pakolaisia.

Pian sotatoimien alettua uudelleen Paanajärven seutu vapautettiin ja kesään 1942 mennessä suurin osa pakolaisista palasi kotiseudulleen. Alkoi tuhotun uudelleen rakentaminen. Rajalan saha alkoi taas toimia.

Kesäkuussa 1944 tilanne rintamalla paheni jyrkästi, ja naiset ja lapset lähtivät taas evakkoon. Syksyn alkupuolella neuvostojoukot saavuttivat Paanajärven ja kukistivat 4. syyskuuta saksalaisen varuskunnan vastarinnan. Seuraavana päivänä kaikki jäljelle jääneet kylän asukkaat käskettiin lähtemään 24 tunnin sisällä. Peruna jäi kaivamatta.

19. syyskuuta 1944 solmitun rauhansopimuksen mukaan Paanajärvi siirtyi taas Neuvostoliitolle. Puolen vuosisadan ajan aluetta asuttivat vain rajavartijat.

Neuvostoliiton aikana Pääjärven vesi nostettiin 10 metriä. Tämän vesirakennushankkeen toteuttamisen ansiosta veden alle joutuivat kaikki rannalla sijainneet kylät, mm. Oulangansuu.

1980-luvun loppupuolella syntyi suunnitelma allastaa Paanajärvi säännöstelytarkoituksessa vesivoimalan tarpeisiin, ja Nuorunen-nimiselle tunturille haluttiin rakentaa talviurheilukeskus, joka voisi ottaa vastaan 300 000 kävijää vuodessa. Oli tarkoitus rakentaa tie, joka yhdistäisi Nuorusen Suomeen, sekä Pääjärven taajamasta tuleva voimalinja. Mikään näistä hankkeista ei toteutunut, koska kansalaispiirit vastustivat niitä jyrkästi.

Vuodesta 1992 Paanajärvellä toimii kansallispuisto.