E’ nato nel 1934 a Monfalcone, in provincia di Gorizia, ma si è trasferito da bambino a Genova. Da ragazzo, dopo aver fatto il facchino, il grafico pubblicitario e il pittore, debutta come cantante da balera, per poi formare un band musicale con gli amici Luigi Tenco e Bruno Lauzi. Scritturato dalla Ricordi, fra il 1959 e il 1960 incide alcuni 45 giri: del 1960 sono “Il cielo in una stanza”, poi portata al successo da Mina, e “La gatta”, brano autobiografico che ottiene un inatteso successo di vendite. Seguono altri 45 giri (“Sassi”, “Gli innamorati sono sempre soli”, “Un uomo vivo”, “Che cosa c’è”) e una partecipazione al Festival di Sanremo nel 1961 (“Un uomo vivo”); del 1963 è il boom di vendite di “Sapore di sale”, arrangiata da Ennio Morricone con gli interventi al sax di Gato Barbieri. Scrive “Senza fine” per Ornella Vanoni, con la quale ha una relazione; nasce poi l’amore per la giovanissima Stefania Sandrelli, dalla quale Paoli ha la figlia Amanda (un altro figlio avuto dalla moglie Anna, Giovanni, oggi è giornalista). Paoli torna a Sanremo nel 1964 (“Ieri ho incontrato mia madre”) e nel 1966 (“La carta vincente”), ma da qui inizia un periodo di relativa oscurità dal quale comincia a uscire nel 1971 con una serie di album bene accolti dalla critica. Minor riscontro hanno i 45 giri del periodo: buoni risultati otterranno invece quelli dell’inizio degli anni Ottanta, come “Ti lascio una canzone” (1981), “Averti addosso” (1984) e “Una lunga storia d’amore”, scritto nello stesso anno per il film "Una donna allo specchio" con Stefania Sandrelli. Nel 1987 Paoli duetta con Zucchero in “Com eil sole all’improvviso” e nel 1989 con Ricky Gianco (“Parigi con le gambe aperte”); nello stesso anno è a Sanremo con “Questa volta no”. Nel 1991 torna in classifica con “Quattro amici”, nel 1993 duetta con la figlia Amanda in “La bella e la bestia”; del 2002 è “Un altro amore”, presentata al Festival di Sanremo. Fra gli album della lunga discografia del cantautore vanno segnalati I SEMAFORI ROSSI NON SONO DIO, realizzato su musiche del catalano Jean Manoel Serrat; CIAO SALUTIME UN PO' ZENA, dedicato alla canzone ligure; HA TUTTE LE CARTE IN REGOLA, omaggio allo scomparso cantautore livornese Piero Ciampi; APPROPRIAZIONE INDEBITA, in cui Paoli "si impadronisce" di una manciata di classici della canzone internazionale e traduce alla sua maniera pagine di John Lennon, Cat Stevens, Aznavour, Stevie Wonder, James Taylor e altri. Da ricordare anche i dischi realizzati in coppia con Ornalla Vanoni: “Insieme” (dal vivo, 1985); “Ti ricordi? No non mi ricordo” (2004) e “Vanoni Paoli Live” (2005). Dopo un disco jazz nel 2007, ad inizio 2009 pubblica STORIE, prodotto Aldo Mercurio con arrangiamenti dello stesso Paoli, di Maurizio Fiordiliso e Dario Picone. Poco dopo partecipa al Festival di Sanremo come "padrino" dell'esordiente Malika Ayane. Alla fine del 2009 esce SENZA FINE, doppia raccolta destinata a celebrare i suoi 50 anni di palcoscenico: per l’occasione reincide “Il cielo in una stanza” duettando con Carla Bruni.