Павел Петрович Бажов родился января 1879 года в посёлке Сысертский завод в семье рабочего пудлингово-сварочного цеха Сысертского завода Петра Ба́жева, изначальная фамилия. Детство провёл в Сысерти. Учился в Сысертском земском мужском училище «заводской школе» с 1886 года по 1889 год, был замечен и поддержан директором Александром Осиповичем Машуковым. Окончил школу в числе лучших учеников. В 1890 году семья писателя переехала в посёлок Полевской завод в связи с переходом отца на другое предприятие, а Павла отдали в Екатеринбургское духовное училище, где он учился с 10 до 14 лет. В 1899 году окончил Пермскую духовную семинарию. В 1907—1913 годах преподавал русский язык в Екатеринбургском епархиальном женском училище, а затем — в духовном училище города Камышлов, во время летних каникул путешествовал по Уралу, собирал фольклор.
В июле 1911 года в Николаевской церкви села Кашино венчался со своей ученицей, Валентиной Александровной Иваницкой; в их семье родилось семеро детей, трое умерло в младенчестве.
До 1917 года был членом партии эсеров. Начиная с февральской революции помогал партии большевиков. В 1918 году вступил в РКП(б).
В Гражданскую войну, в конце апреля — начале мая 1918 года, прибыл в Семипалатинскую губернию, а в июне 1918 года — в город Усть-Каменогорск. Организовывал подполье, разрабатывал тактику сопротивления в случае падения советской власти в области и уезде.
После переворота в Усть-Каменогорске, устроенного 10 июня 1918 года подпольной организацией «Щит и престол» при поддержке казаков, затаился до конца года в своей страховой конторе, временно прекратив деятельность. Летом и осенью 1918 года пытался наладить оперативную связь с оставшимися большевиками, но лишь в январе 1919 года, после получения информации о плачевном положении зыряновских подпольщиков, возобновил свою деятельность по координации подполья. Отношение к подготовке восстания в Усть-Каменогорской тюрьме, 30 июня 1919 года, у П. Бажова было двояким, так как он сомневался в связи между партизанскими соединениями «Красных горных орлов» в составе Народной повстанческой армии Алтая, работая по заданию красной Москвы. После проведения схода командиров краснопартизанских отрядов в ноябре 1919 года в селе Васильевка объединил их в одну силу.
После установления советской власти в Усть-Каменогорске, 15 декабря 1919 года и вступления в город повстанческой крестьянской армии М. Козыря и рот из объединённого отряда «Красных горных орлов», П. Бажов, выйдя из подполья, стал организовывать новый Совдеп. Какое-то время сохранялось двоевластие: в Народном доме заседал новый Усть-Каменогорский совдеп, а в бывшем управлении 3-го отдела Сибирского казачьего войска был штаб армии Козыря. Бажов передал информацию в Семипалатинск. Во второй половине января 1920 года в Усть-Каменогорск прислали три полка регулярных сил Красной Армии. Козыревская армия рассеялась фактически без боя, сам он бежал. Именно Бажов, действовавший тогда под псевдонимом Бахеев Бахметьев, организовал подавление подготовки восстания во главе с Козырем.
Во вновь образованном Ревкоме занял пост заведующего управлением народного образования, заведовал также профсоюзным бюро. Попутно стал редактором, а по существу организатором, выпускающим и метранпажем местной газеты. Одновременно ему было вменено в обязанность «сохранить общее наблюдение за работой отдела народного образования». Он создал учительские курсы, организовал школы по ликвидации неграмотности, принял участие в восстановлении Риддерского рудника. В июле 1920 года в казахские волости были посланы 87 учителей, подготовленных с его участием. 10 августа 1920 года под руководством Бажова и Н. Г. Калашникова в городе прошёл Первый уездный съезд Советов. Осенью 1920 года возглавил продотряд на должности особоуполномоченного уездного продовольственного комитета по продразвёрстке. Осенью 1921 года перебрался в Семипалатинск, где возглавил губернское бюро профсоюзов.
В конце 1921 года вследствие тяжёлого заболевания и по просьбе Камышловского исполкома возвратился на Урал, в Камышлов, основная причина была в доносах в Губернском ЧК Семипалатинска на его бездействие в период власти Колчака, где продолжил журналистскую и литературную деятельность, писал книги по истории Урала, собирал фольклорные записи. Первая книга очерков «Уральские были» вышла в 1924 году. В 1923—1931 годах работал в областной «Крестьянской газете».
В 1933 году по доносу М. С. Кашеварова был обвинён в присвоении партийного стажа с 1917 года, исключён из партии. Через несколько месяцев после ходатайства был восстановлен в партии с началом стажа в 1918 году, за «приписывание» стажа ему был объявлен строгий выговор.
После этого П. Бажову поручили написать книгу о строительстве Краснокамского бумажного комбината. Но по мере написания главные герои исчезали в горниле репрессий, в результате книга не была опубликована.
В 1936 году в 11-м номере журнала «Красная новь» был опубликован первый из уральских сказов «Девка Азовка».
Также ему было поручено подготовить книгу «Формирование на ходу. К истории Камышловского 254-го 29-й дивизии полка». Он уже работал редактором Свердловского книжного издательства. После того как в 1937 году командовавший дивизией во время Гражданской войны М. В. Васильев был репрессирован, по ещё одному доносу М. С. Кашеварова Бажов был вновь исключен из партии и уволен из издательства. Целый год большая семья Бажова жила за счёт огорода и маленькой зарплаты его свояченицы. В это вынужденно свободное время он написал много своих сказов. Через год был восстановлен в партии и в издательстве, хотя и с понижением в должности, после чего смог сполна расквитаться с Кашеваровым.
В 1939 году вышло первое издание уральских сказов — «Малахитовая шкатулка». Эта книга при жизни автора неоднократно пополнялась новыми сказами.
С 1940 года возглавлял Свердловскую писательскую организацию.
Скончался 3 декабря 1950 года в Москве от рака лёгких. Похоронен в Свердловске на Ивановском кладбище.
