Родился в Петрограде в рабочей семье. В период Гражданской войны отец Павла вместе со всей семьёй (женой и двумя детьми) уехал на родину — на Урал в небольшое село Бикбарда. Там и прошло детство Павла. В деревне он поступил и окончил школу крестьянской молодежи. Там же определилось главное увлечение мальчика — больше всего на свете ему нравилось рисовать. Любовь к живописи ему прививала мать, женщина грамотная и умная.
В 1927 году семья Кадочниковых вернулась в Ленинград, где отец получил работу на заводе «Красный путиловец». Павел же продолжил свои занятия живописью. Он поступил в детскую художественную студию. Мальчик по-прежнему мечтал, что когда вырастет, станет художником. Но судьба внесла свои коррективы в жизнь. Серьёзно заболел отец, и Павлу пришлось заботиться о семье. Он ушёл из школы и устроился учеником слесаря на завод «Красный путиловец».
Правда, занятий живописью Павел не бросил и продолжал ходить в художественную студию. Там и состоялось его знакомство с театром. Талантливого мальчика заметил режиссер А. Авдеев, который руководил там театральной студией. Для одной из постановок ему нужен был исполнитель частушек. Павел выступил так заразительно и азартно, что сразу же был принят в театральную студию, а потом получил роль в спектакле.
На следующий год Авдеев привел Кадочникова к известному режиссёру Борису Вульфовичу Зону, набиравшему курс в театральном техникуме. Прослушав Павла, режиссёр взял его на свой курс, хотя в то время юноша не успел закончить среднюю школу. Всего через полгода театральный техникум был преобразован в институт, и Кадочников стал студентом. Ему было лишь 15 лет.
Тем не менее, среди старших товарищей Павел не затерялся. Наоборот, он выделялся как одеждой (Павел форсил: носил бабочку и бархатную толстовку), так и умением прекрасно петь неаполитанские песни, чем приводил в восторг однокурсниц. В это время Татьяна Никитина родила от него сына Константина, о котором сам Кадочников долгое время не знал.
Когда Кадочников заканчивал институт, на основе курса Бориса Зона был создан Ленинградский новый театр юного зрителя. И Павел Кадочников становится его ведущим актёром (1935—1944). Его первой ролью стал Лель в «Снегурочке». Роль Купавы играла актриса Розалия Котович. Совместная работа зажгла в сердцах молодых актёров любовь, и вскоре они поженились.
В ТЮЗе играл самые различные роли: сказочных героев, белогвардейцев, но лучше всего ему удаются животные. Один из спектаклей, где Кадочников играл ужа, увидел драматург Е. Шварц. Ему так понравился актёр, что специально для него Шварц написал роль сказочника в спектакле «Снежная королева». Кадочникову поручали и эпические, возрастные роли. В трагедии «Борис Годунов» он играл летописца Пимена. Работа в театре всё больше увлекала молодого актёра. Роль следовала за ролью, креп и совершенствовался его талант.
Первой работой в кино стала эпизодическая роль Михася в картине «Несовершеннолетние» (1935). Роль была настолько маленькой, что его никто не заметил. Да и самому актёру свое появление на экране не понравилось. После этого дебюта Павел принял решение больше никогда не сниматься в кино.
В 1937 году на спектакле «Снегурочка» побывал кинорежиссёр Сергей Юткевич. Ему понравился молодой талантливый юноша, и режиссёр предложил Кадочникову роль в своей картине «Человек с ружьём». Помня о своём первом неудачном опыте, Павел хотел было отказаться, но повлиял авторитет режиссёра. Юноша принял предложение и сыграл молодого солдата. С этой роли и началась длительная работа большого мастера в кино.
Уже в следующей картине Юткевича «Яков Свердлов» Кадочников сыграл сразу две роли — рабочего паренька Лёньку и писателя Максима Горького. Любопытно, что при утверждении ролей художественный совет студии единодушно отверг кандидатуру Кадочникова на роль Горького, поскольку его посчитали слишком молодым для столь серьёзного образа. Тогда режиссёр попросил Кадочникова отправиться в соседнюю комнату и загримироваться. Через несколько минут Кадочников вновь предстал перед авторитетной комиссией. Все просто ахнули: настолько актёр был похож на пролетарского писателя. Кадочников был единогласно утвержден. Это сходство позволит ему впоследствии ещё пару раз сыграть Максима Горького.
Роль Горького принесла Кадочникову большую популярность, и в 1940 году его пригласил кинорежиссер Ивановский на главную роль в музыкальной мелодраме «Антон Иванович сердится». Съёмки картины закончились 21 июня, а на следующий день началась Великая Отечественная война.
Павел Кадочников вспоминал: «Каждый приносил тревожные сводки с фронта, и нам, молодым актерам, казалось больше невозможным оставаться в тылу: мы должны были защищать Родину. Эти мысли не давали покоя».
В конце июля Павел подал заявление в народное ополчение. Но ему отказали. «Ты снимаешься в „Обороне Царицына“ и „Походе Ворошилова“. На Ленфильме сообщили, что это фильмы оборонного значения. Вернись на студию» — ответили ему.
После завершения съёмок в двухсерийной ленте «Оборона Царицына», Кадочникова пригласил к себе Сергей Эйзенштейн. Легендарный режиссёр предложил актёру роль Владимира Старицкого в картине «Иван Грозный». Владимир Старицкий — одна из главных трагических фигур картины, слабый и простодушный юноша, трогательный и агрессивный в момент возбуждения, игрушка в руках безжалостных честолюбцев и палачей.
Мастерство актёра так впечатлило Эйзенштейна, что тот решил снять Кадочникова ещё в двух ролях — Сигизмунда и царского духовника Евстафия. Предполагалось, что эти роли Кадочников сыграет в третьей серии. Но этому так и не суждено было воплотиться, третья серия так и не была снята. Тем не менее, эти три года Кадочников считал самой большой жизненной школой.
Вернувшись в Ленинград, Кадочников узнал, что театр, в котором он работал, распался. Несмотря на ряд достаточно лестных предложений от руководителей разных театральных коллективов, Кадочников выбрал работу в кино. Он отправился в Киев сниматься в картине «Подвиг разведчика». Роль майора Федотова принесла актёру поистине всенародную популярность и стала его своеобразной визитной карточкой, одновременно определив в советском кино образ героя-разведчика на долгие годы. А знаменитая фраза Федотова «Вы болван, Штюбинг!» стала любимым выражением мальчишек той поры.
В следующем, 1947 году, Кадочников приступил к съёмкам в новой картине Александра Стоппера «Повесть о настоящем человеке». Актёру предстояло сыграть знаменитого летчика Алексея Маресьева, потерявшего обе ноги. Чтобы лучше войти в образ, Кадочников отказался от услуг дублеров. В течение четырёх месяцев он ходил на настоящих протезах и ползал в снегу в лютый мороз. В итоге картина имела огромный зрительский успех, а спустя год Кадочников был награждён Сталинской премией.
После картины «Далеко от Москвы» (1950), за которую актёр получил свою третью Государственную (Сталинскую) премию, Кадочникова не приглашали сниматься в кино в течение четырёх лет.
Вновь об актёре вспомнили в 1954 году. Режиссёр Александр Иванковский, который уже снимал Кадочникова в своем фильме «Антон Иванович сердится» пригласил актёра в новую картину. Это была совместная работа Иванковского и Кошеверовой «Укротительница тигров». Роль мотогонщика Федора Ермолаева стала одной из главных удач Кадочникова в 1950-е годы. В ней талант мастера открылся для зрителей с неожиданной стороны, он смог на равных сыграть в ансамбле актёров ярко выраженного комедийного плана — Леонида Быкова и Сергея Филиппова. Участие в фильме принесло и новую волну славы. Актёра вновь стали заваливать любовными посланиями многочисленные поклонницы.
В последующие годы Кадочников много и напряженно снимается, и на его популярности держится множество картин, забытых теперь зрителями. Однако они сыграли свою роль в воспитании по крайней мере двух поколений. Героизация действительности способствовала формированию нового типа личности, осваивавшей целину и участвовавшей в грандиозных стройках. Временной характер ролей Кадочникова не заслонял его актёрского таланта. Он великолепно выглядел в самых разных амплуа, поскольку обладал не только отличительными внешними данными, но и искусством перевоплощения.
И все же эти роли не могли удовлетворять талантливого актёра. Кадочников, чувствуя это, решил попробовать свои силы в режиссуре. Первая его работа, приключенческая комедия «Музыканты одного полка», вышла ещё в 1965 году. Затем он поставил фильм-сказку «Снегурочка». В обеих своих картинах Кадочников и сам играл заметные роли.
Уход в режиссуру имел ещё одно обоснование: в середине 60-х Кадочников попал в немилость к высшему руководству. Режиссеры перестали приглашать его сниматься. Не давали новых работ актёру и в театре. Единственным его заработком были концерты, с которыми Кадочников ездил по всей стране.
В середине 1970-х Никита Михалков внезапно предложил Павлу Кадочникову роль в своём фильме «Неоконченная пьеса для механического пианино». Эта роль принесла актёру новый виток популярности. Его вновь стали приглашать сниматься. Однако Кадочников не стремился давать свое согласие всем подряд, теперь он подходил к выбору каждой роли намного тщательнее. Наиболее заметной работой тех лет стала роль в фильме «Сибириада».
В 1978 году Павел Кадочников снялся вместе со своим взрослым сыном Петром в киноповести Булата Мансурова «Сюда не залетали чайки». Это была последняя совместная работа отца и сына. Вскоре Пётр Кадочников погиб при весьма странных обстоятельствах.
Весной 1981 года Пётр отправился отдохнуть в Прибалтику на озера. А через два дня после отъезда пришло сообщение о его гибели. Петра нашли на дороге мёртвым. По официальной версии следствия, смерть наступила после того, как он полез на дерево, но, не удержавшись, упал. Однако зачем было ему останавливаться по пути и забираться на дерево, следствие так и не объяснило.
Для Павла и Розалии Кадочниковых потеря их единственного совместного сына стала трагедией. Единственным спасением для актёра была работа. И он окунулся в неё. Ещё до смерти сына Кадочников сыграл заметную роль графа Орлова в картине «Рассказ неизвестного человека». А в 1981 году он снялся сразу в почти десятке фильмов, среди которых наиболее заметной стала роль П. Лафарга в картине режиссера С. Юткевича «Ленин в Париже». Стоит отметить также работу в детективе «Пропавшие среди живых» - здесь Павел Петрович великолепно совместил традиционный образ интеллигента с совершенно нехарактерным для себя амплуа злодея, и роль колоритного старого уголовника Кашлева получилась отличной. Спустя два года Кадочников просто блестяще сыграл небольшую роль в детективе «Сокровища Агры» из серии фильмов о Шерлоке Холмсе и докторе Ватсоне.
В 1987 году на экраны вышел биографический фильм «Серебряные струны», рассказывающий о создателе первого в России оркестра народных инструментов Василии Андрееве. Это была последняя режиссёрская работа Павла Кадочникова. Вскоре после фильма ему было присвоено звание Героя Социалистического Труда.
Это была последняя награда — 2 мая 1988 года Павел Кадочников скончался на 73-м году жизни из-за острой сердечной недостаточности в городской больнице Ленинграда. Похоронен на Серафимовском кладбище рядом с могилой сына — актёра Петра Кадочникова (1944-1981).
Спустя 12 лет на экраны вышел сериал «Воспоминания о Шерлоке Холмсе», на основе ранее снятых фильмов (в том числе и «Сокровищ Агры», где снимался Павел Кадочников).