Родился 27 января 1879 г. в рабочем поселке Сысертского завода близ Екатеринбурга. Отец был горнозаводским мастером. Мать вела домашнее хозяйство, а также выполняла частные заказы по кружевному вязанию.
В 1893 г. Павел Бажов окончил Екатеринбургское духовное училище, в 1899 г. - Пермскую духовную семинарию.
В 1899-1907 гг. преподавал русский язык и ряд других предметов в Екатеринбургском духовном училище, в 1907-1914 гг. - в Екатеринбургском женском епархиальном училище. В 1914-1917 гг. был учителем русского языка в Камышловском духовном училище (Пермская губерния).
В 1917 г. Павел Бажов был избран членом Камышловского Совета крестьянских, рабочих и солдатских депутатов. В том же году вышли его брошюра "Программа трудового крестьянства" и ряд статей в газете "Заря народоправства" (под псевдонимом Деревенский).
В конце 1917 г. вступил добровольцем в Красную армию, в 1918 г. - стал членом РКП(б). Был участником боев на Урале в ходе Гражданской войны. Зимой 1919-1920 гг. был особым уполномоченным ЧК на Алтае, участвовал в подавлении крестьянских и казачьих восстаний. С октября 1920 г. был особоуполномоченным уездного продовольственного комитета по Усть-Каменогорскому району (комитет занимался изъятием продовольствия у крестьян в ходе проведения продразверстки).
В 1920 г. проживал в г. Усть-Каменогорске (ныне - на территории Казахстана), где редактировал газету и заведовал отделом народного образования (использовал псевдоним Бахеев).
В 1921 г. вернулся в Камышлов, где стал редактором газеты уездного исполкома "Красный путь".
С 1923 г. работал в Свердловске (ныне - Екатеринбург), был редактором "Крестьянской газеты", сотрудником литературно-издательских организаций.
В 1924 г. свердловское издательство "Уралкнига" выпустило первую книгу Павла Бажова - "Уральские были. Из недавнего быта Сысертских заводов".
В 1926 г. были опубликованы его автобиографическая повесть о Гражданской войне "За советскую правду" и очерк "К расчету". В 1930 г. писатель выпустил сборник очерков "Пять ступеней коллективизации", в 1934 г. - "Бойцы первого приказа".
В 1936 г. вышла его книга "Формирование на ходу. К истории Камышловского 254-го 29-й дивизии полка". В 1937 г. в связи с репрессиями в отношении ее главных героев Павел Бажов был исключен из коммунистической партии. Он опротестовал это решение и через год был восстановлен в ВКП(б).
В 1939 г. Павел Бажов вступил в Союз писателей СССР. В том же году он опубликовал сборник сказов "Малахитовая шкатулка". Книга принесла автору широкую известность. Первоначально она включала в себя 14 сказов, но при последующих изданиях неоднократно пополнялась. Произведения были частично основаны на уральских "тайных сказах" - устных преданиях горнорабочих и старателей. Сказы Бажова сочетали реально-бытовой и сказочный элементы, многие из них содержали философские размышления о счастье, творчестве и искусстве. К числу наиболее известных сказов относятся: "Медной горы хозяйка", "Каменный цветок", "Малахитовая шкатулка", "Огневушка-поскакушка" и др.
Среди других заметных произведений писателя - автобиографическая повесть "Зеленая кобылка" (1939) и книга мемуаров "Дальнее - близкое" (1949).
Сочинения Павла Бажова переведены на английский, французский, исландский, сербский, японский и другие языки.
По его произведениям сняты художественные фильмы "Каменный цветок" (1946, режиссер Александр Птушко), "Степанова памятка" (1976, Константин Ершов), "Золотой полоз" (2007, Владимир Макеранец) и др. В 1950 г. композитор Сергей Прокофьев создал балет "Сказ о каменном цветке", Кирилл Молчанов - одноименную оперу.
В 1942-1950 гг. Павел Бажов являлся председателем Свердловского отделения Союза писателей СССР и главным редактором альманаха "Уральский современник".
В 1946-1950 гг. - депутат Верховного совета СССР II и III созывов (представлял Красноуфимский избирательный округ).
Павел Бажов скончался 3 декабря 1950 г. в Москве на 72-м году жизни. Похоронен на Ивановском кладбище в Екатеринбурге. В 1961 г. на его могиле был установлен пятиметровый гранитный памятник.
За книгу "Малахитовая шкатулка" был удостоен Сталинской премии II степени (1943) и награжден орденом Ленина (1944).
Был женат на выпускнице Екатеринбургского епархиального училища Валентине Александровне Иваницкой (1892-1971). Имел семерых детей, трое умерли в раннем возрасте. Сын Алексей погиб в 17 лет. Дочери Ольга и Елена стали инженерами. Дочь - Ариадна Бажова-Гайдар (род. 1926) - доктор исторических наук. Ее сын - Егор Гайдар (1956-2009) - российский государственный деятель, министр экономики и финансов РСФСР (1991-1992), и. о. председателя правительства РФ (1992), один из основных идеологов рыночных реформ в России.