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Motian wuchs in Providence, Rhode Island, auf. Bereits während seiner Highschoolzeit bis 1949 spielte er in verschiedenen Schulbands. Während des Koreakrieges war er Soldat bei der US Navy. 1955 ging er nach New York City.[3] Dort traf er auf Bill Evans, an dessen Debütalbum New Jazz Conceptions er mitwirkte und mit dem er zunächst (1956/57) in Tony Scotts Band spielte. Er arbeitete mit Musikern wie Oscar Pettiford (1957), Lennie Tristano (1958/59), im Ensemble von Zoot Sims und Al Cohn (1959), aber auch mit George Russell und Sonny Rollins zusammen, bevor sich 1959 das Bill Evans Trio mit Motian am Schlagzeug und Scott LaFaro am Bass formierte, das eine Revolution im Klaviertrio-Spiel markierte, indem sich die Rhythmusgruppe von der bloßen Begleitung des Soloinstrumentes emanzipierte, hin zu einem freieren, gleichberechtigten, klangfarbenorientierten Zusammenspiel, was die legendär gewordenen Aufnahmen vom 25. Juni 1961 im New Yorker Village Vanguard exemplarisch dokumentieren (Sunday at the Village Vanguard und Waltz for Debby auf Riverside). Keine zwei Wochen später verunglückte LaFaro tödlich. Chuck Israels nahm seinen Platz ein, dann 1963 kurz Gary Peacock, bevor Motian die Band verließ.
In den 1960er Jahren trat Motian außerdem unter Bandleadern wie Coleman Hawkins, Mose Allison, Perry Robinson, Charles Lloyd und Pharoah Sanders auf (und kurioserweise beim Woodstock-Festival mit dem Sänger Arlo Guthrie). Mit dem Pianisten Paul Bley spielte er erstmals 1963 im Trio mit Gary Peacock und tastete sich mit ihnen in den Free Jazz vor. Ende der 60er fand er dann mit Keith Jarrett und Charlie Haden zunächst als Trio zusammen, um Dewey Redman erweitert als (das später so genannte amerikanische) Keith Jarrett Quartet, das von 1967 bis 1976 mehr als zehn Alben für verschiedene Labels aufnahm. Daneben wirkte er an Carla Bleys Jazzoper Escalator over the Hill und Hadens Liberation Music Orchestra mit.
Seit den frühen 1970ern trat Motian zunehmend auch als Bandleader und Komponist in Erscheinung. Auf dem Münchner ECM-Label erschienen seine ersten Alben Conception Vessel (1972), Tribute (1974) und Dance (1977), an denen Keith Jarrett, Charlie Haden, Leroy Jenkins, Sam Brown, David Izenzon und Carlos Ward mitwirkten.
1980 begann die überaus produktive Zusammenarbeit mit Bill Frisell und Joe Lovano, die beide etwa 20 Jahre jünger waren als er; zunächst im Quintett mit einem weiteren Saxofonisten (Billy Drewes bzw. Jim Pepper) und Ed Schuller am Bass, dann vor allem als bassloses Trio, etwa auf It Should’ve Happened a Long Time Ago (1984), Monk in Motian (1988), Time and Time Again (2007) oder wiederum erweitert um seinen beständigsten Partner Charlie Haden auf Paul Motian on Broadway Vol. I–III oder 1990 bei einem Bill-Evans-Tribut-Album mit Marc Johnson am Bass. Daneben spielte er immer wieder mit Pianisten zusammen: zuvorderst mit Paul Bley, aber auch mit Geri Allen, Eric Watson, Marilyn Crispell, Bobo Stenson, Enrico Pieranunzi, Stéphan Oliva und 2010 mit Jason Moran und Chris Potter am Saxofon, in einem weiteren basslosen Trio. Potter spielte schon seit 1997 im Trio 2000, mit dem Motian seine Albumreihe mit Standards On Broadway fortsetzte. Regelmäßiger Gast dieses Trios war Masabumi Kikuchi, der auch Pianist des 1991 gegründeten Trios Tethered Moon war (mit Gary Peacock am Bass), das durch eigenwillige Interpretationen der Musik von Kurt Weill, Édith Piaf und Puccini auffiel. Daneben ist noch die 1992 erstmals formierte Electric Bebop Band Motians zu nennen, die mit gleich zwei E-Gitarristen, E-Bassist und Saxofon(en) vornehmlich Parker-, Monk-, Powell- und Davis-Kompositionen neu interpretierte. Er starb 2011 im Krankenhaus von Manhattan an Komplikationen im Verlauf einer bösartigen Erkrankung des Knochenmarkes (multiples Myelom) (Wikipedia).