Село Павлівка знаходиться на правому березі річки Мжа, вище за течією на відстані 1,5 км розташоване село Стара Водолага, нижче за течією на відстані 2 км розташоване село Вільхуватка. Річка в цьому місці заболочена, утворює лимани і старі. Поруч проходить автомобільна дорога Р51.
12 червня 2020 року, розпорядженням Кабінету Міністрів України № 725-р «Про визначення адміністративних центрів та затвердження територій територіальних громад Харківської області», увійшло до складу Нововодолазької селищної громади[2].
19 липня 2020 року, в результаті адміністративно-територіальної реформи та ліквідації Нововодолазького району, село увійшло до складу новоутвореного Харківського району[3].
