Надежда Павлова окончила Петрозаводскую государственную консерваторию имени А. К. Глазунова (2006) и аспирантуру вуза (2011). Дважды побеждала на молодежных конкурсах в Иванове, затем стала лауреатом Международного конкурса вокалистов «Искусство XXI века» в Киеве (2003) и Конкурса конкурсов вокалистов Собиновского музыкального фестиваля в Саратове (2012). 

Творческая карьера певицы началась в Музыкальном театре Республики Карелия в Петрозаводске, где она выступала в партиях Виолетты («Травиата» Верди), Микаэлы («Кармен» Бизе), Риты («Любовь на четверых» Доницетти), Галатеи («Прекрасная Галатея» Зуппе) и других. За роли Риты и Галатеи была удостоена Высшей театральной премии Республики Карелия «Онежская маска» (2007, 2008).

С 2012 года – солистка Пермского театра оперы и балета имени П. И. Чайковского, где дебютировала в партии Марфы («Царская невеста» Римского-Корсакова). С 2017 года – приглашенная солистка Национального академического Большого театра оперы и балета Республики Беларусь, с сезона 2018/19 – Большого театра России. С 2023 года – солистка Нижегородского театра оперы и балета имени А. С. Пушкина.

В 2013 году по приглашению режиссера Андрейса Жагарса исполнила партию Виолетты на сцене Латвийской национальной оперы. 

В 2015 году номинировалась на Российскую национальную театральную премию «Золотая маска» за роль Донны Анны в спектакле Пермской оперы («Дон Жуан» Моцарта), в том же году завоевала Гран-при Международного конкурса вокалистов в Минске и стала лауреатом Премии города Перми в сфере культуры и искусства имени Александра Немтина. 

Всероссийскую известность певице принесло исполнение партии Виолетты («Травиата») в постановке режиссера Роберта Уилсона и дирижера Теодора Курентзиса, представленной в 2016 году на Дягилевском фестивале в Перми. Спектакль получил семь номинаций на премию «Золотая маска» и три награды, в том числе за лучшую женскую роль в опере (для Надежды Павловой). Постановка получила также приз Ассоциации музыкальных критиков «за сотворчество мэтров и артистов молодого поколения в Пермском театре оперы и балета: Роберт Уилсон, Теодор Курентзис, Надежда Павлова». Приз был вручен на дебютном сольном концерте Надежды Павловой в Московском международном Доме музыки в апреле 2017 года. 

В сезоне 2017/18 была приглашенной солисткой Московского Музыкального театра имени К. С. Станиславского и Вл. И. Немировича-Данченко, в сезоне 2020/21 – Московского театра «Новая опера» имени Е. В. Колобова. В декабре 2018-го приняла участие в премьерном спектакле Кирилла Серебренникова «Барокко» в «Гоголь-центре»; новая версия была представлена в Thalia Theater в Гамбурге в 2023 году.

В 2021 году дебютировала на Зальцбургском фестивале (Донна Анна в «Дон Жуане», постановка Ромео Кастеллуччи), в 2022 году – в Гамбургской государственной опере (Джильда в «Риголетто» Верди и Донна Анна в «Дон Жуане»), Баварской государственной опере (Констанца в «Похищении из сераля» Моцарта) и Цюрихском оперном театре (Виолетта в «Травиате»), в 2023-м – во Флорентийской опере (Teatro del Maggio Musicale Fiorentino; Виолетта в «Травиате»; дирижер – Зубин Мета).

В июне 2023 года певица выступила с сольным концертом в рамках Международного фестиваля искусств «Стрелка» (Нижний Новгород), в августе – на Зальцбургском фестивале (первое сопрано в Большой мессе до минор Моцарта; совместно с хором и оркестром Utopia под руководством Теодора Курентзиса) и на Музыкальном фестивале в Берлине в программе музыки Рахманинова (вместе с пианистами Александром Мельниковым, Ольгой Пащенко и виолончелистом Александром Рудиным).

Кроме того, Надежда Павлова выступала с ансамблем musicAeterna под руководством Теодора Курентзиса на других престижных сценах, в числе которых Большой театр Люксембурга, Филармония на Эльбе в Гамбурге, Кёльнская филармония, Концертхаус в Дортмунде, Концертхаус в Вене, Концертный зал в Центре культуры и конгрессов в Люцерне, фестивальный зал Фельзенрайтшуле в Зальцбурге, Большой зал Московской консерватории. Сотрудничает с оркестром La Voce Strumentale (художественный руководитель – Дмитрий Синьковский).

В репертуаре певицы, кроме вышеупомянутых партий, также Фьордилиджи, Вителия, Графиня Альмавива («Так поступают все женщины», «Милосердие Тита» и «Свадьба Фигаро» Моцарта), Лючия («Лючия ди Ламмермур» Доницетти), Мюзетта, Лауретта («Богема» и «Джанни Скикки» Пуччини), Маргарита («Жанна на костре» Онеггера), Кунигунда («Кандид» Бернстайна), Волхова («Садко» Римского-Корсакова), Цербинетта («Ариадна на Наксосе» Р. Штрауса), Олимпия («Сказки Гофмана» Оффенбаха), Луиза («Обручение в монастыре» Прокофьева), Адель («Летучая мышь» И. Штрауса), Фея («Синдерелла, или Сказка о Золушке» Массне), Марта («Пассажирка» Вайнберга), Сестра Констанс («Диалоги кармелиток» Пуленка), Невеста («Свадьба» Соколович) и другие, а также произведения кантатно-ораториального жанра и камерная вокальная музыка. 

Надежда Павлова удостоена почетного звания «Заслуженная артистка Российской Федерации», Национальной театральной премии «Золотая маска» и Стогановской премии за исполнение партии Виолетты Валери («Травиата», 2017), Национальной оперной премии «Онегин» в номинации «Примадонна» за исполнение партии Лючии («Лючия ди Ламмермур» Доницетти, 2019), Российской оперной премии Casta Diva в номинации «Певица года» за исполнение партии Волховы («Садко», Большой театр России, 2021).