Detinjstvo je proveo u mnogim gradovima Srbije, a najviše u selu Vratarnici kod Zaječara. Sa devetnaest godina počeo je da piše o filmu i umetnosti za beogradske novine i časopise. Diplomirao je dekorativno slikarstvo na Akademiji Primenjenih umetnosti u Beogradu. Sa dvadeset pet godina režirao je svoj prvi amaterski film Ljuba Popović (1958).
Tri godine kasnije završio je svoj prvi igrani film Žive vode iz omnibusa Kapi, vode, ratnici (1962). Za ovaj film, Pavlović je dobio prvu od mnogobrojnih nagrada (specijalna nagrada žirija na filmskom festivalu u Puli). A nagrada filmskih kritičara na festivalu u Katargi (1965. godine) za film Neprijatelj, bila je prva međunarodna nagrada koju je dobio. U svojoj tridesetoj godini objavio je prvu zbirku pripovedaka Krivudava reka (1963. godine). Njegov prvi roman Lutke, objavljen je 1965. godine. Za to delo, Pavlović prima prvu od mnogobrojnih nagrada za kreativno spisateljstvo (nagrada Isidora Sekulić 1967. godine). Živojin Pavlović snimio je 15 filmova i objavio 32 knjige.
Njegovi filmovi su prepoznatljivi kako po izrazu, tako i po tematici koju obrađuje. Uglavnom su to socijalne drame, sa glavnim likovima neprilagođenim društvu u kome žive i društvenim prilikama koji vladaju — filmovi sa izrazito kritičkim stavom. Nakon filma Zaseda (1969) je bio žestoko kritikovan od strane zvaničnih vlasti Jugoslavije, tako da je jedno vreme bio u mogućnosti da radi jedino u Sloveniji. Retrospektive njegovih filmova organizovane su u Pezaru (1983), Larošelu (1985), Parizu (1986. i 1990), Monpeljeu (1990) i Strazburu (1991). Kao glumac, pojavljuje se samo u jednom dugometražnom igranom filmu Nacionalna klasa reditelja Gorana Markovića, u više nego sporednoj ulozi koja traje svega nekoliko sekundi, ali i u tri kratkometražna filma svojih studenata sa Akademije Braća Karić u Beogradu, na kojoj je bio redovni profesor.
Preminuo je u 29. novembra 1998. godine Beogradu. Nakon njegove smrti u januaru 2006. objavljeno je šest tomova njegovog Dnevnika u izdanju novosadskog Prometeja i beogradskog Podijuma. Obimom od oko 2.500 stranica, i širinom vremenskog raspona (1956 — 1993), ti dnevnički zapisi - naslovljeni kao Izgnanstvo I-II, Ispljuvak pun krvi i Diarium I-III, prevazilaze sve što je u tom žanru kod nas do sada napisano i objavljeno. Bio je oženjen novinarkom i književnicom Snežanom, ćerkom valjevskih advokata Olge (1911-1988) i Ranisava Lukića. Njihova deca su Milena, Vuk i Nenad. Država mrtvih je poslednji film Živojina Pavlovića.
U prvoj polovini 1997. godine najavljeno je da će se uskoro pouzdano znati hoće li te jeseni Živojin Pavlović početi Rekvijem, film do koga mu je, od nekoliko projekata o kojima je razmišljao nakon Dezertera (tada starog već pet godina), izgleda najviše bilo stalo. A onda je krajem jula 1997. počeo da snima film o kome dotad nije bilo ni reči. Producent, Zoja Todorić, kao i dramski pisac Siniša Kovačević, predložili su mu da snimi film po Kovačevićevoj pozorišnoj predstavi Janez, i Država mrtvih je započeta. Za film adaptiranoj Kovačevićevoj drami. U prvom planu scenarija bio raspad jedne porodice koji je nosio simboliku raspada SFRJ. To je metafora o rastakanju SFRJ, drama identiteta ovih prostora, pa bi neko u priči o Slovencu lako prepoznao priču o Kosovu. Kao u Dezerteru, scene su rađene izuzetno naturalistički. Film je snimljen za mesec i po dana, do polovine septembra 1997. godine. Tada iz nepoznatih razloga dolazi do zastoja u celom projektu. Stvar se nije pomerila sa mrtve tačke sve do Pavlovićeve smrti 29. novembra 1998. godine. Potom dolazi do izvesnog pomeranja, pa producent pokušava da film privede kraju. Želja porodice (a i producentkinja se složila), bila je da Slobodan Šijan završi film. Međutim, do toga nije došlo — kako zbog odugovlačenja, tako i zbog činjenice što je (zbog prethodno zakazanih obeveza), Šijan otišao u SAD. Bilo je pokušaja da film završi Duda Ćeramilac, prvi asistent režije (koja je i na filmu Dezerter bila prvi asistent) — to je bila i želja porodice. Međutim, ni to se nije desilo. Posao završetka se stalno odlagao sve dok se nije uključio novi producent (Komuna) i dok nije odlučeno da finalnu verziju uradi Dinko Tucaković, reditelj koji je poznavao materijal, a bio je i Pavlovićev student.
Vikicitati „Trudio sam se da se moj rad ne primećuje... Dinko Tucaković“
Gotovo neverovatne poteškoće na putu ovog filma od samog teksta, preko snimanja i mučnog procesa montaže, pa do premijere pred publikom, pratio je i niz uzastopnih smrtnih slučajeva. Posle Pavlovića, preminuli su i direktor fotografije Aleksandar Petković, kao i glumci Dragan Maksimović, Predrag Milinković i Ranko Gučevac – što se mračno nadovezalo na naslov filma.
Međutim, i nakon završetka filma, nastaju poteškoće i odlaganja premijere. Poslednji film Žike Pavlovića Država mrtvih premijerno je prikazan pred beogradskom publikom 29. novembra 2002. godine, na četvorogodišnjicu autorove smrti. Marketinški gotovo neispraćena, Država mrtvih premijerno je prikazana pred polupraznom salom beogradskog Sava centra. Čak je i jedan deo ekipe filma odbio da se pojavi na premijeri u Sava centru. Prema rečima reditelja, Dinka Tucakovića, ranije je bilo zamišljeno da film bude prikazan u isto vreme u Beogradu, Sarajevu, Zagrebu i Ljubljani i to baš na Dan republike (simbolično, pošto je to dan kada je i Živojin Pavlović preminuo četiri godine ranije).