Nació el 9 de septiembre de 1908 en Santo Stefano Belbo (Cúneo) y fue el último de cinco hijos de una familia pequeño burguesa de origen campesino. Cuando sólo tenía seis años, murió su padre. Cursó estudios en Turín y, entre sus profesores de la escuela media superior, cabe señalar a Augusto Monti, figura de relieve del ambiente antifascista de la ciudad, amigo de Piero Gobetti y Antonio Gramsci. En 1932 se licenció en letras con una tesis sobre Walt Whitman; en esa misma época, empezó su actividad de traductor con Moby Dick de Melville y La risa negra de Sherwood Andersoni. Tradujo también a Gertrude Stein, John Steinbeck y Ernest Hemingway, y comenzó a escribir crítica literaria.

Fue uno de los fundadores de la editorial Einaudi, en la que permaneció como editor hasta su muerte.

En 1934 lo nombraron director de la revista "Cultura", donde publicó sus escritos antifascistas. En mayo de 1935 fue detenido por motivos políticos y confinado en Brancaleone Calabro. En 1936 regresó a Turín y publicó el libro de poesía Lavorare stanca. Durante la guerra, se refugió con su hermana en Serralunga y, cuando aquélla terminó, se inscribió en el Partido Comunista Italiano.

La narrativa de Pavese trata, por lo general, acerca de conflictos de la vida contemporánea, entre ellos la búsqueda de la propia identidad, como en La luna y las fogatas (1950), considerada como su mejor novela.

Víctima de repetidas crisis depresivas, Cesare Pavese se suicidó el 27 de agosto de 1950 en un hotel de Turín, ingiriendo doce sobres de somníferos.