Apja, Heim Péter postatiszt a "vasminiszter" Baross Gábor közvetlen munkatársaként a magyar postahálózat kiépítésében vett részt. Heim Pál orvosi tanulmányait a svájci Lausanne-ban kezdte, diplomáját már a budapesti egyetemen szerezte meg 1897-ben. Gyakornoknak Bókay János professzor mellé került a budapesti Stefánia Gyermekkórházba (mai SOTE I.sz. Gyermekgyógyászati Klinika), majd ösztöndíjasként a breslaui (ma Wroclaw, Lengyelország) egyetemi gyermekgyógyászati klinikán, Adalbert Czerny mellett tanulmányozta a csecsemők kórélettani sajátosságait. Lausanne-ban és a párizsi Pasteur Intézetben tett tanulmányútjáról visszatérve, 1901-ben a budai Irgalmasrendi Kórház (a mai ORFI) gyermekosztályának főorvosává nevezték ki. 1907-ben magántanári minősítést nyert a gyermekkori betegségek szemiotikája témakörben, egy év múlva Preisich Kornél gyermekgyógyásszal közösen megírta Az általános haematológia című könyvet.

Az első világháború kitörése után zászlóaljorvosként a fronton szolgált, majd a galíciai Sanok katonai járványkórházának parancsnoka volt. Egészségügyi problémái miatt leszerelték, 1916-tól ismét a székesfővárosi csecsemőkórházban folytathatta gyógyító tevékenységét. 1918-ban az anya- és csecsemővédelem országos biztosaként működött, s még ugyanabban az évben a pozsonyi Erzsébet királyné Tudományegyetem újonnan alakult gyermekklinikájának élére nevezték ki. Az egyetem és a klinika 1919-ben a megszálló csehszlovák hadsereg elől Budapestre menekült; az egyetem 1923-ban Pécsre került, a klinika a pesti Fehér Kereszt Gyermekkórházban (a mai Tűzoltó utcai gyermekklinikán) működött tovább. Heim Pálnak jelentős szerepe volt az intézmények végleges otthonra találásában, az egyetemnek 1921-22-ben rektora is volt. Õ hozta létre az univerzitás baráti körét, az Egyetemi Tudományos Szövetség orvosi szakosztályát, bekapcsolódott a gyermekek és anyák védelmére létrehozott Országos Stefánia Szövetség munkájába.

Oktatói-kutatói tevékenységét 1923-tól Pécsen folytatta. Megalapította és vezette az intézmény gyermekklinikáját, az itt töltött évek munkássága legtermékenyebb időszakát jelentették. 1926-ban adta közre tan- és kézikönyvét A gyermek táplálkozása címmel. Egykori professzora, Bókay János 1929-es nyugdíjba vonulása után őt bízták meg a budapesti egyetem gyermekklinikájának vezetésével. Új helyét azonban csak rövid időre foglalhatta el, 1929. október 23-án tüdőgyulladásban meghalt.

Heim Pált a modern hazai csecsemőgyógyászat megteremtőjének tekintik. Elsők között kutatta a vitaminokat, a csecsemők táplálkozási problémáit és a veleszületett szifiliszt, kimutatta a heveny folyadékvesztés miatt fellépő kiszáradás kórtani jelentőségét. Jelentős érdemeket szerzett a csecsemő- és gyermekgondozónői képzésben, az általa alapított gyermekápolónői iskolában végzett "Heim-nővérek" elismert szakemberek lettek. Gyermekorvosként az anyatej és a vitaminok fontosságát hangsúlyozta, előtérbe helyezte a megelőző, felvilágosító és nevelő munkát, valamint a gyermekvédelmi feladatokat. Kutatásai során foglalkozott a csecsemők táplálkozási ártalmaival, az ásványi anyag- és folyadékháztartás zavaraival, a fehérvérsejtek sajátosságaival, a tuberkulin-allergiával.

A budapesti Üllői úti gyermekkórház és rendelőintézet 1957 óta viseli Heim Pál nevét, a Magyar Gyermekorvosok Társasága tiszteletére emlékérmet alapított. Fia, Heim Ernő Ybl Miklós-díjas építész volt. A neves gyermekgyógyász örökségét viszi tovább dédunokája, Heim Pál, aki alapítványt hozott létre az élmény- és emberközpontú magyar gyermekegészségügy fejlesztése és támogatása érdekében; tavaly őt tüntették ki a Heim Pál-emlékéremmel.