В 1916 поступил в семинарию и через 4 года получил сан священника, после чего стал обучаться в Грегорианском университете, Римском университете и в Церковной академии («Accademia dei Nobili Ecclesiastici»). В 1937 Монтини занял важный пост при кардинале Пачелли. Когда Пачелли стал папой Пием XII Монтини был назначен заместителем государственного секретаря Ватикана, в 1952 году. В 1953 Монтини стал архиепископом Милана, однако до смерти Пия XII не получил кардинальского сана — он был ему дан следующим папой, Иоанном XXIII.
Павел VI был последним папой, который родился в ХІХ ст., и последним папой коронованным при избрании тиарой — Иоанн Павел I отменил эту традицию. Свою тиару Павел VI подарил Базилике Непорочного зачатия в Вашингтоне. После избрания папой Павел VI довёл до логического конца начатый его предшественником Ватиканский собор и до своей смерти следил за подготовкой соборных документов. В 1965 он учредил Синод епископов, a 26 июня 1967 назначил архиепископа Кароля Войтылу кардиналом и издал две свои самые известные энциклики — о целибате («Sacerdotalis caelibatus» 24 июня 1967) и o контроле над рождаемостью («Humanae vitae» 24 июля 1968). В «Humanae vitae» Павел VI, не отвергая человеческую сексуальность, осудил искусственный контроль над рождаемостью и контрацепцию, что вызвало резонанс в некоторых слоях общества. Павел VI был обвинён в ретроградстве и консерватизме сторонниками технологического прогресса и неомальтузианцами, утверждавшими, что контрацепция в частности может избавить страны третьего мира от голода и продовольственных проблем. Но энциклика, правда с некоторыми оговорками, была позднее поддержана Иоанном Павлом II.
В понтификат Павла VI были внесены существенные изменения в римский миссал. Эти изменения включали в себя разрешение использования национальных языков, разрешение священнику совершать мессу лицом к народу, некоторые текстовые изменения и др. (см. Novus Ordo Missae). Были также внесены изменения в общий римский календарь святых — вместо прежней сложной системы введена трёхступенчатая ранжировка: память, праздник, торжество (память при этом может быть обязательной и факультативной), память некоторых святых добавлена, память некоторых исключена (что автоматически перевело этих святых в ранг местночтимых).
Новый миссал был введён апостольской конституцией Павла VI Missale Romanum, выпущенной 3 апреля 1969 года.
Папа сформулировал Символ веры Народа Божия (1968 год).
Павел VI впервые посетил все пять континентов и до Иоанна Павла II вёл наиболее широкую внешнюю политику Ватикана, получив прозвище «папа-пилигрим». Тем не менее в 1970 в международном аэропорту Манилы на него было совершено покушение: художник-сюрреалист Бенхамин Мендоса-и-Амор Флорес бросился на папу с кинжалом. Среди наиболее важных визитов Павла VI были встречи с константинопольским патриархом Афинагором в 1964 году (первой с 1054, в ходе которой была подписана совместная декларация о снятии взаимных анафем) и с архиепископом Кентерберийским Майклом Рамзаем. Отдельное место в своих речах Павел VI уделил духовной борьбе Церкви с дьяволом.
Во время своего понтификата Павел VI часто подвергался различным нападкам, в том числе за ревизию Тридентской мессы со стороны консерваторов, и был предметом множества слухов и сплетен. За несколько месяцев до своей смерти Павел VI отправил торжественную мессу по смерти Альдо Моро, убитого «Красными бригадами» (пока Моро был в заложниках, понтифик предлагал себя в обмен на него), и после длительной болезни умер в своей летней резиденции от сердечного приступа.
Центральной темой беседы главных героев в гостях у Кастеветов в фильме Ребёнок Розмари становится визит Павла VI в США.