Он родился 29 июля 1915 года в Санкт-Петербурге. Детские годы будущего актёра прошли на родине его отца — в небольшом уральском селе Бикбарда, куда семья перебралась с началом Гражданской войны. Здесь Павел окончил школу крестьянской молодёжи и серьёзно увлёкся живописью. Когда семья вернулась в Ленинград, юноша поступил в художественную школу, решив навсегда связать жизнь с изобразительным искусством. Однако его мечтам было не суждено осуществиться: серьёзно заболел отец, и Кадочникову пришлось взять на себя заботу о семье. Он оставил учёбу и устроился помощником слесаря на завод «Красный путиловец».
Его путь на сцену начался со случайной встречи. Однажды Павла заметил руководитель театральной студии, который искал исполнителя частушек для одной из постановок. Кадочников продемонстрировал такое лихое выступление, что сразу получил роль в спектакле. Уже через год режиссёр Борис Зон принял начинающего актёра на свой курс в театральном техникуме при Ленинградском ТЮЗе, однако уже через полгода учебное заведение расформировали. Всех студентов перевели в техникум сценических искусств, где Павел оказался самым молодым. Ему едва исполнилось пятнадцать, но он уже выделялся на фоне более опытных однокурсников: носил бабочку и бархатную толстовку и заразительно пел неаполитанские песни.
Окончив техникум, Павел Кадочников был принят в труппу Нового ТЮЗа, созданного его педагогом Борисом Зоном. Здесь молодой актёр сыграл десятки самых разноплановых ролей. Однажды Кадочников изображал на сцене ужа и так поразил присутствовавшего в зале драматурга Евгения Шварца, что тот написал специально для актёра роль Сказочника в спектакле «Снежная королева». Под впечатлением от таланта юного Кадочникова остался и Сергей Юткевич — режиссёр заметил его в роли Леля в постановке «Снегурочки» и сразу пригласил сняться в картине «Человек с ружьём».
Поначалу актёр хотел отказаться — у него за плечами уже был опыт съёмок, который он сам считал крайне неудачным. Двумя годами ранее он появился в эпизодической роли Михася в картине «Несовершеннолетние», но в кадре показался себе страшно некрасивым и решил больше никогда не сниматься. Однако авторитет режиссёра Юткевича перевесил. Кадочников сыграл в «Человеке с ружьём» молодого солдата и с тех пор не сходил с экранов.
Огромную популярность принесла Павлу Кадочникову следующая картина Юткевича «Яков Свердлов», где ему досталось сразу две роли — рабочего паренька и Максима Горького. Худсовет отказывался утверждать слишком молодого актёра на роль пролетарского писателя, но когда тот вернулся из гримёрной, все просто ахнули — настолько похож Кадочников оказался на своего героя. Впоследствии он стал главным Максимом Горьким нашего кино: в этом образе актёр представал на экране ещё дважды — в лентах «Педагогическая поэма» и «Пролог».
С началом войны Павел Кадочников пытался вступить в народное ополчение, но ему отказали — ведь он уже снимался в лентах особого значения «Оборона Царицына» и «Поход Ворошилова». Так и не сумев попасть на фронт, Кадочников много раз блестяще воплощал на экране героические образы. Всенародную любовь ему принесла роль майора Федотова в ленте «Подвиг разведчика», а знаменитая фраза «Вы болван, Штюбинг!» моментально ушла в народ. В тот же период он сыграл знаменитого лётчика Алексея Маресьева в «Повести о настоящем человеке» — чтобы лучше вжиться в образ, четыре месяца актёр ходил на протезах, на съёмках ползал в снегу в сильный мороз и смело держался в кадре с настоящей медведицей.
В начале 50-х в карьере Павла Кадочникова случился многолетний простой. Вновь вспомнили о нём после выхода на экраны комедии Надежды Кошеверовой «Укротительница тигров», где актёр предстал в образе мотогонщика Фёдора Ермолаева. После этого он активно снимался в кино до самых последних дней. Среди многих его творческих удач — Трилецкий в «Неоконченной пьесе для механического пианино», Вечный Дед в «Сибириаде», граф Кавершем в «Идеальном муже», майор Шолто в «Приключениях Шерлока Холмса и доктора Ватсона».
Павел Кадочников пробовал себя и в качестве режиссёра. Всего он снял пять картин, а последнюю роль в кино исполнил в собственном фильме «Серебряные струны» о создателе первого в России оркестра народных инструментов. Актёр сыграл старого крестьянина, научившего главного героя играть на балалайке.
Свою первую любовь Павел Кадочников повстречал в стенах техникума. Юношеский роман со студенткой режиссёрского отделения Татьяной Никитиной закончился весьма серьёзно — в 17 лет актёр стал отцом. В браке на свет появился сын Константин, однако молодые родители приняли решение расстаться. За кулисами ТЮЗа Павел Кадочников познакомился с актрисой Розалией Котович и вскоре женился во второй раз. Вместе они прожили до конца дней и стали родителями сына Петра.
Ради семьи Розалия пожертвовала карьерой актрисы. Тем больнее для неё стала новость о романе мужа на стороне. Она давно привыкла, что у красавца-супруга нет отбоя от поклонниц, но на этот раз дело оказалось куда серьёзнее. На съёмках фильма «Повесть о настоящем человеке» актёр познакомился с цыганской танцовщицей Маргаритой Шумской. Завязался стремительный роман, в результате которого на свет появился внебрачный сын Павел. Мать записала мальчика под фамилией Бунин, а с родным отцом он почти не общался. По словам внучки Павла Кадочникова Натальи, у актёра был и четвёртый сын Виктор, который родился от отношений с ещё одной цыганской-артисткой.
Дети Павла Кадочникова продолжили дело отца и стали актёрами. Старший сын Константин Кадочников окончил Ленинградский театральный институт имени Островского, служил в Театре имени Комиссаржевской, снялся в лентах «Летят журавли», «Музыканты одного полка», «Я тебя никогда не забуду», «Победа». Младший сын Пётр Кадочников получил диплом ЛГИТМиКа, вместе с отцом появился в картинах «Сюда не залетали чайки» и «Благочестивая Марта», работал на ленинградском телевидении. А вот внебрачный сын Павел Бунин оказался по ту сторону экрана — он стал телеоператором.
Так случилось, что Павлу Кадочникову было суждено пережить обоих своих законных сыновей. Первым из жизни ушёл Пётр — при странных обстоятельствах 36-летний актёр сорвался со скалы на отдыхе в Прибалтике. Спустя всего три года не стало и старшего сына Константина — едва отметив 50-летие, он скончался на гастролях от инфаркта. После смерти Константина его знаменитый отец прожил всего пять лет — 72-летний Павел Кадочников ушёл из жизни из-за острой сердечной недостаточности. Актёра похоронили на Серафимовском кладбище рядом с могилой сына Петра.