Après des études de droit à Zagreb, il s’engage en politique dans le parti croate du Droit, un mouvement nationaliste opposé à la monarchie du Royaume de Yougoslavie et partisan de l’indépendance de la Croatie. Élu conseiller municipal de Zagreb puis député (1927), il est contraint à l’exil en 1929 par l’avènement du roi Alexandre Ier, lequel met en place une dictature pro-serbe. Pavelić se réfugie d’abord à Vienne, où il prend contact avec des officiers autrichiens anti-yougoslaves. À Rome où il réside ensuite, il fonde un nouveau parti nationaliste, en collaboration avec les membres de la faction dure du Parti croate du droit, exilés comme lui. Ce sera le parti des oustachis (de ustaš, « insurgé, rebelle »).
Le groupe a d’abord des activités terroristes : il assassine le 9 octobre 1934 Alexandre Ier ainsi que le ministre français des affaires étrangères Louis Barthou, en visite d'État à Marseille. Soutenu par les mouvements fascistes italiens, il prend de l’ampleur et implante des camps d’entraînement en Hongrie. Le 6 avril 1941, la Yougoslavie est envahie par les forces de l’Axe. Pavelic devient le dirigeant de l’État indépendant de Croatie crée le 10 avril 1941, inféodé de fait à l’Allemagne et à l’Italie, dont il copie les institutions.
Le régime en place pourchasse les Juifs, les Serbes, les Tziganes, les opposants croates (notamment communistes). Son mot d’ordre à l’égard des Serbes est d’en « exterminer un tiers, en chasser un tiers, en convertir un tiers. » Après avoir promulgué des lois anti-juives, Pavelić crée un camp de concentration appelé Jasenovac. L’armée du NDH combat également, avec les forces de l’Axe, contre le mouvements des résistants de Tito (les Partisans communistes) et les Tchetniks (royalistes).
En 1945, Pavelić s’enfuit et se réfugie d’abord en Autriche, puis à Rome, avant de s’installer en Argentine où il reçoit la protection de Juan Perón. L’Église catholique romaine est fortement soupçonnée de l’avoir aidé à fuir, en alléguant de la bienveillance du pape Pie XII à son égard pour le soutien que le régime des oustachis et l'église catholique se sont mutuellement accordé pendant la Seconde guerre mondiale.
En 1957, il fit l’objet de deux tentatives d’assassinat, probablement commanditées par les services secrets yougoslaves. Découvert, il fut forcé une nouvelle fois de fuir pour éviter l’extradition. Il se réfugia en Espagne, où il mourut en 1959, des suites de ses blessures. Il est enterré à Madrid.