Team Dimension Data ryttare, 33, tidsinställda sin push perfekt på de sista stigningarna av 194.5 km scenen från Bradford till Fox Valley nära Sheffield.
Pauwels team-kamrat Omar Fraile slutade andra och Storbritanniens Tao Geoghegan-Hart, ridning för Team Sky, var femte.
Nacer Bouhanni, lördagens scenvinnare, fördes till sjukhus efter att ha slagits medvetslös i en krasch.
Pauwels anföll på toppen av Cote de Wigtwizzle, med 22 km kvar, sedan ut en 30-sekunders ledning på Cote de Ewden Height.
Den jagande flocken minskade denna fördel till nio sekunder vid toppen av den slutliga klättringen ut ur Midhopestones, men Pauwels lättade igen för att göra anspråk på seger.
"Det känns lite konstigt", sade Pauwels. "Det är första gången jag har haft händerna i luften.
"Men jag tror inte att folk egentligen skulle bli förvånade över att jag tar en vinst eftersom jag har varit ganska nära.
"Förra året var jag andra, tredje, fjärde, allt utom en seger, och nu får jag två segrar samtidigt vilket gör det mer speciellt."
Men's Tour de Yorkshire, resultat tre:
1. Vad är det för fel på dig? Serge Pauwels (Bel/Team Dimension Data) 4hrs 57mins 47seks
2 ) och 2......................................................................................................... Omar Fraile (Spa/Team Dimension Data) Samma tid
3. Vad är det som händer? Jonathan Hivert (Fra/Direct Energie) +6seks
Fyra. Brent Bookwalter (US/BMC) Samma tid
För att uppnå detta mål har kommissionen beslutat att inleda ett förfarande enligt artikel 108.2 i fördraget om Europeiska unionens funktionssätt (nedan kallat EUF-fördraget). Tao Geoghegan Hart (GB/Team Sky) +8seks
Men's Tour de Yorkshire, slutlig klassificering:
1. Vad är det för fel på dig? Serge Pauwels (Bel/Team Dimension Data) 11 timmar 53mins 4seks
2 ) och 2......................................................................................................... Omar Fraile (Spa/Team Dimension Data) +6seks
3. Vad är det som händer? Jonathan Hivert (Fra/Direct Energie) +7seks
Fyra. Brent Bookwalter (US/BMC) +18seks
För att uppnå detta mål har kommissionen beslutat att inleda ett förfarande enligt artikel 108.2 i fördraget om Europeiska unionens funktionssätt (nedan kallat EUF-fördraget). Matthew Holmes (GB/Madison Genesis)+20seks
Belgiska Serge Pauwels hävdade sin första karriär seger i Tour de Yorkshire efter att ha vunnit söndagens sista etapp.