Paul-Émile Ladmirault naît le 8 décembre 1877 à Nantes, dans une famille de la bourgeoisie nantaise ; son père Émile était négociant. Enfant musicalement précoce, il étudie dès son plus jeune âge le piano, l'orgue et le violon, et compose très tôt : on lui prête une sonate pour violon et piano vers onze ans. À seize ans, son premier opéra, Gilles de Retz, est créé le 18 mai 1893 dans la salle des Beaux-Arts de Nantes, ce qui constitue un coup d'éclat précoce.
Admis au Conservatoire de Paris en 1895, il entre vers 1897 dans la classe de composition de Gabriel Fauré, où il côtoie notamment Maurice Ravel, Florent Schmitt et Charles Koechlin. Il y étudie aussi avec Antoine Taudou et André Gedalge. Estimé de ses pairs — Florent Schmitt voyait en lui l'un des plus doués et des plus originaux de sa génération — il aurait pu bâtir une brillante carrière parisienne. Mais, d'un naturel modeste et peu enclin aux mondanités, Ladmirault préfère revenir vivre en Bretagne, où il devient professeur au Conservatoire de Nantes en 1920.
Toute son œuvre est imprégnée de son attachement à la Bretagne et à la culture celtique. En 1908, il est reçu au Gorsedd de Bretagne, prenant un nom de scène breton. Il participe activement au mouvement de renaissance culturelle bretonne, s'associant à d'autres compositeurs régionalistes, et nourrit sa musique des modes, des rythmes et des mélodies populaires bretonnes ainsi que de sources celtiques plus larges, écossaises et galloises notamment.
Son catalogue couvre tous les genres. Pour la scène, outre Gilles de Retz, il compose l'opéra Myrdhin (Merlin), dont le célèbre prélude de l'acte II, Brocéliande au matin, est devenu l'une de ses pages les plus jouées, ainsi que le ballet La Prêtresse de Korydwen, créé à l'Opéra-Comique le 17 décembre 1926, et l'opérette Glycères. Il écrit également des musiques de scène, notamment pour Tristan et Iseut (Théâtre Sarah-Bernhardt, 1929).
Dans le domaine symphonique, on lui doit la Suite bretonne, le poème symphonique Brocéliande au matin (1909), la Rhapsodie gaëlique, le poème symphonique La Brière (créé en 1926), évocation des paysages du marais breton en plusieurs tableaux (Paysage triste, La forge de Trignac, La foire d'Herbignac, Idylle dans le soir), le poème symphonique En forêt (1932), ainsi qu'une symphonie et des Variations sur des airs de biniou, qui exploitent directement le matériau musical breton.
Sa musique de chambre et pour piano comprend une Sonate pour clarinette et piano (1942), une Sonate pour violon, des recueils pour piano comme les Quatre esquisses et les Quatre pièces, et la suite enfantine Mémoires d'un âne, inspirée du roman de la Comtesse de Ségur. Il laisse aussi de nombreuses mélodies et chœurs, dont les Chansons écossaises, ainsi que de la musique sacrée, notamment une Messe brève pour chœur et orgue.
Paul Ladmirault meurt le 30 octobre 1944 à Camoël, dans le Morbihan. Longtemps resté un compositeur de notoriété surtout régionale, il fait l'objet d'un mouvement de redécouverte, salué pour la finesse de son écriture héritée de Fauré et pour la sincérité de son inspiration bretonne et celtique. Une place de Nantes porte aujourd'hui son nom.