A ce titre, il cherchait un jeune chef, possédant toutes les qualités requises, pour conduire cette œuvre à la fois colonisatrice et missionnaire. Maisonneuve, recrue idéale, se vit confier la direction de cette fondation d’outre-mer financée par les sulpiciens, la Société Notre-Dame.
Le 9 mai 1641, deux vaisseaux quittaient le port de La Rochelle : celui de Maisonneuve avec vingt-cinq hommes et un prêtre séculier ; dans l’autre, se trouvaient Jeanne Mance, l’infirmière et l’économe de l’aventure, le père Jacques de La Place, et douze hommes. A cause d’une traversée difficile, il atteignit Tadoussac, au bord du fleuve Saint-Laurent, en septembre, soit environ un mois après Jeanne Mance. Il lui fallait dorénavant atteindre l’île de Montréal, but de l’expédition, pour en prendre possession. Malgré les risques encourus dûs aux Amérindiens, et l’hostilité des Québécois envers ce projet, il tint bon face à ses contradicteurs. Le 17 mai 1642, Ville-Marie, premier nom français donné à Montréal, était officiellement fondée.
Mais à partir de 1643, les Iroquois ne cessèrent de harceler la jeune colonie. Pendant un quart de siècle celle-ci affronta une vie de combats épuisants, incessants. Bien qu’homme sage, d’une rare prudence, soldat résolu et habile organisateur, les attaques iroquoises, menaçant d’extinction la colonie, obligèrent Maisonneuve à retourner en France pour recruter des volontaires et assurer la survie de Montréal.
Avec le temps, la colonie devint suffisamment populeuse pour résister aux Iroquois, mais il fallut néanmoins l’intervention de plusieurs compagnies françaises (1665) pour assurer son salut. La même année, après vingt-quatre ans à la tête de Montréal, Maisonneuve était prié de retourner en France pour un congé indéfini.
Il s'installa à Paris où il vécut fort discrètement dans un logis contigu à la maison mère des Pères de la doctrine chrétienne, dite maison de Saint-Charles. Conformément à ses volontés testamentaires, Paul de Chomedey de Maisonneuve fut inhumé dans l’église, dédiée à saint Charles Borromée (1538-1584), de cette congrégation supprimée en 1792.
Les bâtiments et l’église, dont l’emplacement se situait du 69 au 79 de l’actuelle rue du Cardinal-Lemoine (anc. rue des Fossés Saint-Victor), furent vendus en 1796. J'ignore ce qu'il advint alors de sa tombe et de ses cendres.
L’ancienne cour, au n° 75, est de nos jours occupée par le jardin de l’hôtel des Grandes écoles.