Paulo Henrique foi levado à Vila Belmiro em 2005 pelo ídolo santista Giovanni, com quem é comparado pelo estilo de jogo. Após ficar seis meses parado devido a uma lesão no joelho direito, voltou a campo na final do Campeonato Paulista Sub-20 de 2007. O jornal italiano La Gazzetta dello Sport o citou como uma das possíveis revelações da Copa São Paulo de 2008, o que se concretizou, sendo ele o camisa 10 do Santos. Marcou dois gols no torneio.

Em 23 de janeiro de 2008, Paulo Henrique renovou seu vínculo com o clube por cinco anos, e foi promovido à equipe profissional. Estreou em 17 de fevereiro, contra o Rio Preto pelo Campeonato Paulista de 2008.[carece de fontes?] No decorrer da competição, o meio-campista pouco foi aproveitado pelo técnico Émerson Leão, sendo utilizado em apenas três jogos. Durante a disputa do Campeonato Brasileiro de 2008, o jogador novamente foi utilizado em somente três partidas, não demonstrando em nenhuma delas sua real capacidade técnica.

Sob a promessa de novas oportunidades na equipe principal do Santos Futebol Clube, o meio-campista permaneceu na baixada santista para a disputa do Campeonato Paulista 2009. No jogo contra o Guarani, Paulo Henrique Lima apresentou-se ao futebol brasileiro por meio de um lindo gol, que selou a vitória santista por 3x1. As más apresentações do meia Lúcio Flávio rapidamente proporcionaram ao jovem jogador uma chance entre os titulares da equipe, posto que ocupou por 15 jogos na campanha do vice-campeonato santista, marcando 2 gols.

O Campeonato Brasileiro de 2009 inseriu de vez o meia-armador no cenário futebolístico brasileiro. Seu futebol técnico e elegante, que relembra os clássicos meias do passado, motivou a diretoria santista a renovação de seu contrato, estipulado em R$ 137 milhões e válido até julho de 2014.