1906年，潘文郁生于湖北襄阳东津湾。幼年时，他便好学善思，9岁时就提笔成文，700余字的文章一气呵成。1922年，16岁的潘文郁考入湖北省立第二师范学校。在那里，潘文郁第一次接触到了马克思主义思想，而他的启蒙老师正是在第二师范学校任教的肖楚女。在肖楚女的引导下，潘文郁不久就加入了中国共产主义青年团，后来又加入了中国共产党。当时，正是国共第一次合作时期，与其他共产党员一样，潘文郁也跨党加入了国民党。后来，潘文郁受时任中共武汉地委书记(秘密身份)、国民党湖北省党部常委(公开身份)董必武派遣，回到家乡襄阳从事党务工作，对外身份是国民党湖北省党部特派员。这一年的8月，中山大学在莫斯科成立。潘文郁和胡伊默、伍修权等11名从湖北选拔出来的学员搭乘苏联的煤船离开上海，于11月上旬到达莫斯科，进入中山大学学习。中山大学的首批学员后来都成了了不起的人物，潘文郁便是其中之一。
当时的中山大学实际上还是苏联共产党的一个党团组织，所以学校招收的共产党员要多于国民党员。潘文郁因为学习成绩优秀而被选为课堂翻译，在大学里开始小有名气。一年后，他受聘在莫斯科中山大学担任俄文翻译。
1928年6月18日，中国共产党第六次全国代表大会在莫斯科召开。这次会议是潘文郁革命生涯的一个里程碑。出席“六大”的142名代表中，有53名是被指定参加的代表，潘文郁就在其中。潘文郁既是会议代表，又兼做翻译，为大会笔译和整理了很多文件和资料。他先后为周恩来、瞿秋白、苏兆征、蔡和森、李立三、向忠发、项英等中共领导人作俄文翻译，其高超的俄语水平和工作成绩，受到周恩来等中央领导人的赞赏。“六大”后。潘文郁留在了莫斯科工作，担任“六大”期间在莫斯科成立的中共驻共产国际代表团的秘书长。
1928年年底，潘文郁奉命回国，担任中共中央宣传部秘书，负责主持中宣部日常工作，并担任中央机关刊物《红旗》及《布尔什维克》的副主编，为刊物撰写了大量重要社论及文章。1930年7月成立的中共中央总行动委员会上，年轻的潘文郁当选为委员。
1931年，中共六届四中全会上，王明取代李立三的位置，潘文郁从上海调到中共河北省委宣传部当宣传干事。这年的6月22日，中共中央总书记向忠发被国民党上海警备司令部逮捕，写下自首书后的第三天即被处死。随后，中共军委干部胡章原投敌，导致中央宣传部负责人罗绮同和中央监察委员杨匏安等16人被捕。罗绮同被捕后叛变，杨匏安被杀害。紧接着，中央北方局(后改成中共顺直省委)军委书记廖化平在天津被捕变节，这使包括北平在内的河北省委所属的许多机关遭到严重破坏。此时，潘文郁正在河北省委负责地下联络工作。7月21日，他奉命到北平西交民巷附近的文宣公寓秘密接头，因不知地下机构已经被廖化平出卖而落入了国民党北平特务机关之手。
初到北平就落入敌手，让潘文郁感到十分意外，然而更让他感到意外的是，出卖党组织、投靠了军统的廖化平，居然不知廉耻地亲自审讯他。潘文郁来自上海的党中央，在党内的才华和能力颇具知名度，所以廖化平很清楚他的身份。这样一来，潘文郁想隐瞒自己的党员身份已经是不可能的了。于是，在审讯室里，潘文郁坦然承认自己是一名中共党员。
潘文郁的被捕，引起了一个人的注意，这个人就是“黎天才”。黎天才原名李渤海，曾是共产党人。1927年10月，他在中共北京市委书记任上，被张作霖的奉系军阀逮捕。被捕后的酷刑令他吓破了胆，不久黎天才就叛变投敌，并更名改姓担任了国民党北平市公安局政训部秘书和北平宪兵司令陈兴亚的秘书长。虽然叛变了中共，但黎天才没有像其他变节者一样，迫害原来的同志，而是尽量做对中共有利的事。他久慕“大秘书”潘文郁的大名，于是就利用职权保释了潘文郁。在黎天才的劝说和特务的威逼下，潘文郁最终填写了自首书，然后登报声明脱党后获释。8月28日，潘文郁被中共开除出党。
被开除出党后，潘文郁的内心极为苦闷。他信仰马克思主义的初衷不曾改变，内心还是希望为国家、为民族做力所能及的事。于是，他埋头翻译马克思的《资本论》，还在鲜明抵制日本侵略者推行奴化教育的冯庸大学任教。这期间，赏识潘文郁才华的戴笠曾派人邀潘文郁去南京工作，但被他婉言谢绝了。
潘文郁的经历引起了中央北京“特科”的注意，“特科”调查了潘文郁被捕后的表现，认为他虽被胁迫自首，但是他拒绝供出党组织的秘密，更没有跟随特务去指认工作关系，而且在被开除出党后，继续研究宣传马克思主义。陈赓曾对北京“特科”创始人吴成方传达过周恩来的指示精神：特科与阴险、狡猾的敌人打交道，在不损害党的利益原则下，什么方式都可以采取，要利用所有可以利用的人为党工作。当时，北京“特科”刚刚成立，急需用人。潘文郁被党开除的灰色身份，更有利于“特科”的工作。吴成方派“特科”成员周怡去做潘文郁的工作。就这样，潘文郁在脱党两年多后，又重新回到了革命队伍中。
潘文郁要搞军事情报，少了黎天才不行，为此，潘文郁与黎天才保持着密切的联系。“九?一八”事变后，黎天才尽心竭力帮助张学良，在东北搞起了情报网，得到张学良的重用，被调到其身边工作，担任北平绥靖公署参事职务。此时，张学良的政治倾向逐渐转向中国共产党提出的抗日主张，他向黎天才询问共产党当前的路线、方针和政策，并征询对中共的态度和对策等。黎天才已经脱党多年，无法回答张学良的问题，于是把潘文郁请来讨教。潘文郁立即把这一情况汇报给了“特科”方面，吴成方意识到这是一个好机会，于是便指示潘文郁告知黎天才一些党的情况，并帮助黎天才给张学良提建议、当参谋。在多次接触中，黎天才意识到潘文郁背后有中共组织的支持，但两人对此都心照不宣，没有言明。
1934年1月，张学良从欧洲考察回国，被蒋介石任命为豫鄂皖三省“剿总”副司令，代行总司令职务。黎天才担任了“剿总”政训处的少将副处长。他发现张学良对共产党革命理论产生兴趣，于是就顺势把潘文郁作为马列主义学者推荐给张学良。至此，化名“潘东周”的潘文郁加入了张学良的东北军。不出所料，张学良很快就喜欢上了年轻、干练的潘文郁，潘的博学和独特见解让张学良刮目相看。不久，张学良把潘文郁从北平调到武汉徐家棚“剿总”司令部，留在自己身边工作。
黎天才在“剿总”司令部里设了一个机要组，自己任组长，把信得过的人安插在里面，他安排潘文郁当了机要组的中校秘书，这个岗位几乎可供他无遗漏地获取“剿总”的军事情报。张学良责成黎天才搜集有关红军的资料，以了解红军的内幕。潘文郁顺理成章地被黎天才推荐，成为了张学良的老师。
到张学良身边工作后，北京“特科”交给潘文郁的任务主要有两个：一是争取张学良；二是获取军事情报。在国民党的第 五次“围剿”行动中，潘文郁将“接触”到的“剿总”军事机密及时地传递给北京“特科”，北京“特科”又及时地将情报电告中共中央，或者设法通过秘密交通线送到苏区。在第五次反“围剿”初期，红军总是能够不失时机地摆脱险境，转败为胜，潘文郁的情报起了很大的作用。但是，由于中共临时中央继续推行军事冒险主义，提出“御敌于国门之外”的错误方针，致使红军连续作战近两个月，未能粉碎敌人的“围剿”，完全陷入被动局面。身在敌营的潘文郁每天看到和听到中央红军失利的消息，内心都焦急万分。他一面紧张地关注战事，一面加紧搜集各类军事情报。这时，北京“特科”方面也派杨青林专程到武汉秘密会见潘文郁，索要敌人的兵力部署和战役行动等机密情报。
潘文郁看着自己搜集来的大量文件，内心做着艰难的选择：自己一个人在办公室抄写情报，条件不许可，也抄不完，最好的办法是将文件带回家，让妻子廖素丹帮着抄写。可是，这样做的风险很大，一旦被发觉，身份必然暴露。但是如果不带回家抄写，就不能及时地将大量情报抄写出来，交给杨青林带回。思虑再三，潘文郁决定冒险一试。趁着夜色，潘文郁把机密文件悄悄塞进公文包带回了家，他和妻子连夜抄写。由于文件太多，黎明时，情报没能抄完，而杨青林又必须当日赶回去。潘文郁心一横，把抄写完的文件连同没来得及抄写的文件原件一股脑儿都交给了杨青林。其中有一份原件，上面详细印有“剿总”所属部队番号、兵力、驻地，以及团以上主要军官姓名等情况。这份文件是豫鄂皖“剿总”的核心机密，只发给“剿总”长官及直属的各厅、处、组。潘文郁手里那份是他负责存档保管的。因为他知道这份文件的重要性，反“围剿”指挥官可以通过它确切了解敌部的兵力和分布情况，所以他才冒着可能暴露的危险将来不及抄写的文件原件交给了杨青林。后来，恰恰就是这份机密文件的流出，导致了潘文郁的暴露和牺牲。
杨青林带着密件回到北平不久，中共北平地下市委机关就遭到驻北平宪兵三团毁灭性的破坏，20名“特科”成员被逮捕。宪兵三团在逮捕特科成员贺善培时，在其家中搜出了大量情报材料，其中就有那份核心机密文件。文件先是到了宪兵三团团长蒋孝先的手上，后又火速报到了南京蒋介石那里。这份文件本该在潘文郁负责保管的机要组的文件柜里，为什么会在共产党的手中?潘文郁很快就被锁定为“共谍”嫌疑人。
得知此事的蒋介石大发雷霆。他急电张学良，还把从北平查获的密件作为确凿证据发给了张学良，要他把潘文郁押解去南京法办。张学良看完蒋介石的电报后，犹豫再三，最后，他致电蒋介石，请求从宽处理潘文郁。为了掩人耳目，也为了防止特务暗杀潘文郁，张学良命人从机要组办公室把正在工作的潘文郁悄悄带走，保护性地将他限制在司令部自己的官邸中。在张学良的努力下，潘文郁一事拖了近一个月。就在张学良以为可能有转机的时候，在北平被捕的杨青林叛变了。他供出了在张学良身边的潘文郁，并供出潘曾向中共提供了大量军事情报。至此，潘文郁的身份彻底暴露了。
1935年3月3日黄昏，年仅29岁的潘文郁从容地走出张学良的官邸。据目击行刑的一个国民党军官事后描述，潘文郁赴刑场的时候，神态非常从容、镇静。他把双手向后一背，示意刽子手捆绑。然后，他转身，面向对准自己的枪口，大义凛然，视死如归……
1949年武汉解放后，周恩来亲自发电报到武汉指示：一定要找到潘文郁的家属，并作为烈属对待。潘文郁的妻子廖素丹给中央写信，说明丈夫潘文郁的情况，希望能追认潘文郁为烈士，以告慰丈夫的在天之灵。