Nato a Poggio Garfagnana (LU) il 1° febbraio 1908. Studiò nel seminario di Lucca e fu ordinato sacerdote il 15 agosto 1930. A Roma conseguì la laurea in teologia e in «utroque iure». Nel 1933 fu prima addetto e poi segretario alla Nunziatura di Belgrado. Durante il periodo della II Guerra Mondiale fu prima nella Nunziatura di Parigi e, nel 1942, nella Nunziatura di Haiti. Nel 1946 era a Berna e partecipò alla conferenza internazionale per la risoluzione dei problemi post-bellici. In America studiò i problemi dei profughi di guerra e passò poi, nel 1948, a Stoccolma per la conferenza internazionale della Croce Rossa. Nella Conferenza di revisione della Convenzione di Ginevra rappresentò la Santa Sede.
Nel 1949 fu designato come incaricato di affari alla Nunziatura di Praga, ma non potè assumere l’incarico per la rottura dei rapporti della Cecoslovacchia con la Santa Sede. Fu eletto il 24-3-1952 e consacrato l’11-5-1952 Arcivescovo titolare di Nicodemia e divenne delegato apostolico in Turchia. Fu poi trasferito, nel 1953, in Columbia; nel 1959 fu Nunzio Apostolico nel Libano e nel 1960 Nunzio in Francia ove restò fino a quando Paolo VI (1963-78) lo creò cardinale, nel concistoro del 28-4-1969, del titolo di S. Girolamo degli Schiavoni. Venne nominato prefetto della Congregazione per le cause dei Santi, e vi restò fino al 1973. Fu inviato nuovamente nel Libano nel 1975, durante l’orribile crisi che insanguinò il paese e vi ritornò ancora, per incarico di Giovanni Paolo II (1978), nel 1978. Fu membro di diverse Congregazioni. Nel 1979 venne nominato Camerlengo di S.R.C. (fino al 1985), e il 28-10-1979 successe al card. Villot al titolo della Chiesa suburbicaria di Frascati.
Fu Legato Pontificio per l’apertura della Porta Santa di San Paolo fuori le Mura il 24 dicembre 1983, Anno Santo straordinario della Redenzione. Vescovo residenziale della diocesi fino al 1990 fu S.E. mons. Luigi Liverzani, che poi lasciò la diocesi per raggiunti limiti di età. Come vescovo residenziale, nel 1990, gli successe S.E. mons. Giuseppe Matarrese. Il Card. Paolo Bertoli è deceduto l’8 novembre 2001.