Изучал английскую литературу в Туринском университете, защитил диплом по творчеству Уитмена. Переводил Дефо, Диккенса, Мелвилла, Джойса, Ш. Андерсона, Г. Стайн, Фолкнера, Дос Пассоса, публиковал статьи об американской литературе.
В 1932—1935 под давлением семьи вступил в фашистскую партию, при этом вёл антифашистскую работу. В 1935 был арестован, исключён из партии, на восемь месяцев сослан в Калабрию. В годы войны был призван в армию, из-за тяжёлой астмы провёл полгода в лазарете, его комиссовали.
После войны вступил в Итальянскую коммунистическую партию, сотрудничал с газетой «Унита». Жил в Риме, Милане, Турине, работал в издательстве «Эйнауди». Пережил мучительный роман и разрыв с американской киноактрисой Констанс Доулинг (она после войны несколько лет жила в Италии и снималась в итальянских фильмах). Покончил с собой 26 августа 1950 года в номере туринской гостиницы «Рома», приняв чрезмерную дозу снотворного и оставив записку: «Прощаю всех и прошу всех простить меня. Не судачьте обо мне слишком».
Главная тема Павезе — человеческое одиночество, ощущение собственной несостоятельности, нереальности жизни. Большой популярностью в Италии и во всём мире пользуются его дневники «Ремесло жить» (опубл.1952).
Фильмы по произведениям Павезе снимали М. Антониони («Подруги», 1955), Рауль Руис («Социалистический реализм», 1973), Жан-Мари Штрауб («Из мрака к сопротивлению», 1979; «Эти встречи с ними», 2006, и др.).