Павел Бажов родился в 1879 году в поселке Сысертский Завод неподалеку от Екатеринбурга​. Его отец Петр Бажов работал на горных заводах, мать вела домашнее хозяйство, шила и плела кружево​ на заказ. Павел Бажов был единственным ребенком в семье. Его отдали на обучение в местную земскую школу, затем он окончил духовное училище в Екатеринбурге и Пермскую духовную семинарию. Бажов решил не продолжать обучение в духовной академии, а стать учителем. Он устроился в деревенскую начальную школу. Спустя пару месяцев будущий писатель вернулся в Екатеринбург и стал преподавать русский язык​ в том же духовном училище, которое окончил сам.

В 1911 году Бажов женился на своей бывшей выпускнице Валентине Иваницкой, а три года спустя переехал с женой в город Камышлов Пермской губернии.

Павел Бажов работал в Свердловске редактором «Крестьянской газеты», разбирал письма читателей, собирал материал для будущих произведений, писал очерки о старых заводах.

Еще работая в школе, Павел Бажов во время летних каникул ездил по округе и собирал местный фольклор​. Особенно его интересовали предания, которые рассказывали рабочие уральских заводов. Бажов записывал афоризмы​ и побасенки — короткие рассказы из жизни, изучал быт мастеров и историю горной промышленности Урала. В годы Гражданской войны весь архив этих материалов погиб. Многие детали писатель восстанавливал для своих произведений по памяти.

В 1930-х Бажов вновь стал собирать фольклор. В поездках он обращался к «заводским старикам» — так прозаик называл людей, которые несколько десятков лет работали на заводах. Такой труд был тяжелым и опасным, горные мастера часто получали увечья, многие оставались инвалидами. Рабочих переводили на легкий труд: они служили сторожами, кладовщиками. Старики рассказывали предания, которые слышали еще от своих дедов, и дополняли их собственными деталями.

Один из главных сказочных образов в творчестве писателя — Хозяйка Медной горы, или Малахитница. В цикл о ней входят десять сказов, в том числе «Каменный цветок», «Горный мастер», «Травяная западенка», «Малахитовая шкатулка». Эта героиня — дух Уральских гор, хранительница ценных минералов. В сказах она появлялась перед рабочими как прекрасная девушка в нарядном платье: «А одежа и верно такая, что другой на свете не найдешь. Из шелкового, слышь-ко, малахиту платье. Сорт такой бывает. Камень, а на глаз как шелк, хоть рукой погладить». Волосы ее Бажов описывает так: «Коса ссиза-черная и не как у наших девок болтается, а ровно прилипла к спине. На конце ленты не то красные, не то зеленые. Сквозь светеют и тонко этак позванивают, будто листовая медь». Малахитница в сказах могла показаться в виде ящерицы с короной, а иногда герои слышали только ее голос.

Из уральского фольклора в сказы Бажова пришел персонаж Великий Полоз — хозяин земных сокровищ, огромный змей с короной на голове. «Сила ему такая дана: золото, какое он пожелает, к себе в землю притягивать» — говорилось в сказе «Золотой волос». Встречаются в сказах писателя и другие персонажи народных преданий.

В 1939 году вышла автобиографическая детская повесть Бажова «Зеленая кобылка». Это рассказ о жизни подростка на уральском заводе рубежа XIX–XX веков. По сюжету трое друзей-мальчишек встретили беглого преступника, осужденного за политическую деятельность, и помогли ему скрыться от властей. По мотивам повести режиссер Олег Николаевский в 1960 году снял приключенческий фильм «Тайна зеленого бора».

В 1949 году вышла повесть «Дальнее — близкое» об истории Свердловска — современного Екатеринбурга. Это автобиографическое произведение рассказывает о большом городе, каким его впервые увидел маленький мальчик.

В последние годы жизни Павел Бажов входил в высший орган советской власти — Верховный совет СССР. Как депутат он помогал колхозам провести электричество, отстаивал права рабочих. Также прозаик возглавлял Свердловское отделение Союза писателей СССР, был редактором альманаха «Уральский современник».

Павел Бажов умер в 1950 году в Москве​. Похоронен в Екатеринбурге.