Pодился 15 (27) января 1879 год в семье рабочего горного мастера Петра Бажева (изначальная фамилия). В детстве жил в Сысерти и Полевском. В числе лучших учеников окончил заводскую школу, затем — Екатеринбургское духовное училище, где учился с 10 до 14 лет, затем в 1899 году окончил Пермскую духовную семинарию. Работал учителем русского языка в духовных училищах Екатеринбурга и Камышлова, во время летних каникул путешествовал по Уралу, собирал фольклор. Женился на своей ученице, Валентине Александровне (в девичестве — Иваницкой), в семье родилось четверо детей.
До 1917 года был членом партии эсеров. 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, Бажов затаился до конца года в своей страховой конторе, временно прекратив деятельность. Летом и осенью 1918 года он 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 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 он объединил их в одну силу. После установления советской власти в Усть-Каменогорске (15 декабря 1919 года) и вступления в город повстанческой крестьянской армии Козыря и рот из объединённого отряда «Красных горных орлов», 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 (Бахмехьев), организовал подавление подготовки восстания во главе с Козырем.
Во вновь образованном Ревкоме Бажов занял пост заведующего управлением народного образования, заведовал также профсоюзным бюро. Попутно он 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 Бажов возглавил продотряд на должности особоуполномоченного уездного продовольственного комитета по продразвёрстке. Осенью 1921 года он перебрался в Семипалатинск, где возглавил губернское бюро профсоюзов.
В конце 1921 года Бажов 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 работал в областной «Крестьянской газете».
В 1936 году в журнале был опубликован первый из уральских сказов «Девка Азовка», а в 1939 году вышло первое издание уральских сказов — «Малахитовая шкатулка». Эта книга при жизни автора неоднократно пополнялась новыми сказами.
В 1918 году П. П. Бажов вступил в РКП(б). В 1930-х годах его дважды исключали из партии (в 1933 и 1937 годах), но оба раза спустя год восстанавливали.
С 1940 года Бажов возглавлял Свердловскую писательскую организацию.
Депутат Верховного Совета СССР 2—3-го созывов.
Скончался Бажов 3 декабря 1950 года в Москве. Похоронен в Свердловске на Ивановском кладбище.
Создание сказов (т. н. «тайные сказы» — «старинные устные предания» уральских горнорабочих) происходило в сложных условиях краеведческого движения 1920-х — начала 1930-х годов и советской цензуры. В 1931 году в Москве и Ленинграде прошла серия дискуссий на тему «Значение фольклора и фольклористики в реконструктивный период», по итогам которых была поставлена задача изучения «современного рабочего и колхозно‐пролетарского фольклора». Вскоре было принято решение издать сборник «Дореволюционный фольклор на Урале»: сбор материала поручили В. П. Бирюкову, который должен был сдать сборник в декабре 1935 года. Однако В. П. Бирюков заявил, что «нигде не может найти рабочего фольклора». Редактор сборника Е. М. Блинова, которая «через четыре месяца общения с П. П. Бажовым, в июне 1935 г., резко изменила направление работы и стала нацеливать В. П. Бирюкова на собирание рабочего фольклора». Ставший после Е. М. Блиновой редактором сборника П. П. Бажов написал для него сказы «Дорогое имячко», «Медной горы Хозяйка» и «Про Великого Полоза», объявив их фольклорными записями сказов В. А. Хмелинина, которые П. П. Бажов слышал в 1892—1895 годах. В. А. Хмелинин (Хмелинин-Слышко, дед Слышко, «Стаканчик» из «Уральских былей») происходил с Полевского завода выведен как рассказчик в «Малахитовой шкатулке». Позже Бажову пришлось официально заявлять, что это приём, и он не просто записал чужие рассказы, а действительно является их сочинителем.
Мифологические персонажи сказов делятся на антропоморфных и зооморфных. Весьма образны персонификации природных сил:
При написании сказов Бажов руководствовался определенными установками, в ряде случаев отступая от исторических фактов. Советский исследователь Р. Р. Гельгардт установил, что П. П. Бажов при написании сказов изучал исторические документы, но если в исторических исследованиях по какому-то вопросу было разногласие, то писатель «отвергал все, что было не в пользу России, Урала, не в интересах простого народа». Примеры таких трактовок:
Сами сказы не являются фольклорным материалом. Исследователь В.В. Блажес отметил, что Бажов собирал фольклор как писатель, не записывая того, что должен записывать ученый-фольклорист и не проводя паспортизации (хотя Бажов о паспортизации знал). Сказы и деятельность Бажова оказали значительное влияние на уральскую фольклористику, на десятилетия определив направление её развития — сбор «рабочего фольклора». Немало способствовал этому сам Бажов, который часто посещал преподавателей и студентов Уральского государственного университета (УрГУ), наставляя их на собирание рабочего фольклора, инициировал фольклорные экспедиции в города и поселки городского типа для сбора «рабочего фольклора», давал методические советы по его записи и называл населенные пункты, где его надо собирать. При этом отбрасывалась значительная часть фольклора населения Урала, прежде всего крестьянский фольклор. Об этом явлении можно судить по тому, что собирателю фольклора И. Я. Стяжкину было указано фольклористом университета Кукшановым, что «всякие элементы религиозного содержания, грубоватого просторечья совершенно недопустимы». В итоге из сборника фольклорных материалов И. Я. Стяжкина (1219 страниц), переданного в 1949—1957 годах специалистам УрГУ, были опубликованы только несколько пословиц и поговорок, исторические песни, сказка «Царь Петр и матрос» и песня «Товарищ боец, становись запевалой».
Бажов — дед по материнской линии политического деятеля Егора Гайдара, который, в свою очередь, является внуком Аркадия Гайдара.
Американская писательница-фантаст Мерседес Лэки включила Хозяйку (Королеву) Медной горы в свою книгу Fortune’s Fool (2007). Там Хозяйка — могучий дух/колдунья подземного царства, но с несколько безрассудным характером.
Прототип главного героя бажовских сказов, Данилы-мастера, согласно книге «Режевские сокровища», родился и вырос на уральской реке Реж, в деревне Колташи, это знаменитый горщик Данила Зверев.
П. П. Бажов скончался в Москве 3 декабря 1950 года. Похороны состоялись в Свердловске на Ивановском кладбище 10 декабря 1950 г. Могила писателя находится на холме, на центральной аллее кладбища. В 1961 году на могиле установлен гранитный памятник. Авторы памятника — скульптор А. Ф. Степанова и архитектор М. Л. Минц. Писатель изображён сидящим на камне в спокойной, непринуждённой позе, руки лежат на коленях, в правой руке — курительная трубка. Высота памятника — 5 метров. У подножия его на каменной плите высечена надпись «Бажов Павел Петрович. 1879—1950». Памятник окружён цветником.
В Москве на ВВЦ установлен первый в СССР и в мире светомузыкальный фонтан «Каменный цветок» (1954 г.). Авторы: проект художника-архитектора К. Т. Топуридзе, скульптор П. И. Добрынин.
11 марта 1958 года в городе Свердловске на плотине городского пруда открыт памятник-бюст писателю с надписью «Павел Петрович Бажов. 1879—1950». На пьедестале памятника символическое изображение каменного цветка. Монументы Бажову П. П. также открыты в городах Полевском, Сысерти и Копейске.
В 1967 году в Екатеринбурге, в доме, в котором жил Павел Петрович Бажов, основан музей П. П. Бажова.
В 1978 году издан художественный маркированный конверт, посвящённый писателю.
В честь П. П. Бажова названы посёлок городского типа Бажово (сейчас входящий в состав города Копейска), улицы в Москве, Екатеринбурге, Челябинске, Кургане и других городах России, Украины и Казахстана (улица Павла Бажова в Усть-Каменогорске).
Образы из сказов П. П. Бажова — Каменный цветок и Хозяйка медной горы (в виде коронованной ящерицы) — изображены на гербе города Полевской, с окрестностями которого связаны многие сказы.
К 120-летию писателя, в 1999 году учреждена Премия имени П.П. Бажова, ежегодно вручаемая в Екатеринбурге. Имя писателя носит ежегодный Бажовский фестиваль народного творчества в Челябинской области.
В честь Павла Петровича Бажова назван пермский теплоход (компания «ВолгаWolga»).
Бажовская — перспективная станция Екатеринбургского метро, которая должна открыться во время строительства 2-й очереди метрополитена.
В 2014 году екатеринбургский гражданский Сенат предложил присвоить П. Бажову звание «Почётный гражданин Екатеринбурга».