Po śmierci Jana XXIII zebrało się konklawe. Wybrany na papieża, kardynał Giovanni Battista Montini przyjął imię Paweł VI. Koronowany na Placu św. Piotra wygłosił alokucję w dziewięciu językach.
29 września 1963 r. Paweł VI otworzył drugą sesję Soboru Watykańskiego. Papież dopuścił do udziału w obradach soboru zakonnice i świeckich zarówno mężczyzn jak i kobiety. Sprawowanie funkcji w kongregacjach papież ograniczył do pięciu lat, określił wiek emerytalny księży i biskupów do 75 lat. Kardynałowie powyżej 80 roku życia nie mogli zajmować stanowisk ani uczestniczyć w konklawe.
Konstytucją apostolską "Poenitemini" wprowadził obowiązujący wszystkich chrześcijan jednogodzinny post eucharystyczny. Zaaprobował utworzenie stałego diakonatu dla świeckich. Wprowadził nowe przepisy do roku kościelnego i nowy kalendarz liturgiczny.
Paweł VI był pierwszym papieżem, który podróżował helikopterami i samolotami. Odbył pielgrzymkę do Ziemi Świętej w dniach 4 - 6 stycznia 1964 r. i przemawiał na plenarnej sesji Zgromadzenia Organizacji Narodów Zjednoczonych 4 października 1964 r. Papież pielgrzymował do Fatimy i potwierdził wiarygodność tamtejszych objawień. Papież VI zaproponował, aby każdego roku dzień 1 stycznia był obchodzony jako Międzynarodowy Dzień Pokoju.
Paweł VI zmarł w Castel Gandolfo i został pochowany w Watykanie w bazylice św. Piotra.