赵孟兆页字子昂，宋太祖子秦王德芳之后。其五世祖秀安僖王子翶，即宋孝宗父。其四世祖为崇宪靖王赵伯圭，孝宗赐宅第于湖州，故孟兆页为湖州人。曾祖名师垂，祖父名希永，父名与山言，皆为宋朝大官。元朝赠师垂为集贤侍读学士，希永为太常礼仪院使并封吴兴郡公，与山言为集贤大学士，封魏国公。
孟兆页自幼聪敏，读书过目不忘，下笔成文。十四岁因其家世代为官亦入补官爵，并通过了吏部选拔官员的考试，调任真州司户参军。宋亡后居家，更致力于学问。
至元二十三年(1286)，行台侍御史程钜夫奉诏搜访隐居于江南的宋代遗臣，将孟兆页引见世祖。世祖见孟兆页才气豪迈，神采焕发，如神仙中人，大喜，使坐于右丞叶李之上。当时朝廷方设立尚书省，命孟兆页起草诏书，颁布天下。世祖看了诏书后称赞道“：说出了朕心中所要说的话。”朝廷召集百官于刑部，商讨制定刑法。大家认为凡贪赃满至元宝钞二百贯者，论死罪。孟兆页则认为太重，因为钞法创立后的几十年内，已大幅度贬值，以贬值之钞来决定人之生死，不足采取。有人见他年少，又是来自南方，不了解元朝国情，指责他反对以至元钞来定罪，是想阻碍至元宝钞的流行。孟兆页理直气壮地反驳，指出：“刑法是关系到人命的生死，必须分别轻重。孟兆页奉诏参与商议，不敢不言。你不讲道理，企图以势压人，这是不行的！”这人哑口无言。世祖打算重用孟兆页，但遭到一些人的阻止。
至元二十四年(1287)六月，授孟兆页兵部郎中之职，兵部总管全国驿站，当时来往使臣的饮食费用比过去增加了几十倍，当地官府无力供给，只有强取于民，不胜骚扰，请中书省以增加钞币解决。但当时至元钞不能通行，朝廷派尚书刘宣与孟兆页一同至江南查办行省丞相贯彻执行钞法不力之罪，左右司官及诸路官均遭鞭打。然而孟兆页却不笞一人。回京后丞相桑哥对他这种宽容大加谴责。
当时有个叫王虎臣的官员，揭发了平江路总管赵全的违法事实，朝廷命虎臣去查处。右丞叶李坚持奏请不可派虎臣，世祖不听。孟兆页进言说：“赵全违法固当问罪，但虎臣以前在平江也常常强买民田，纵令下属臣僚奸诈营利。赵全曾多次与他争斗，虎臣怀恨在心。今派虎臣去，必然陷害赵全；纵然查出赵全不法事实，人们也不能不有所怀疑。”世祖这才明白过来，改派别人去处理。帝闻孟兆页家境素来清贫，赐钞五十锭。
至元二十七年(1290)，升孟兆页为集贤直学士。这年地震，北京尤其剧烈，死伤数十万人，世祖为之忧心如焚。皇帝驻于龙虎台，派阿剌浑撒里回京，召集贤、翰林两院官会议，询问此次天灾发生的原因及消灾的办法。但这些官员害怕丞相桑哥的淫威，不敢说实话，只是泛引《经》、《传》及五行灾异的话，以修人事、应天变来回答，不敢触及时政。在此以前，桑哥遣忻都及王济清理全国钱粮，大加搜括，已征入数百万，未征者还有数千万，弄得民不聊生，相继自杀。逃入山林者，官府发兵追捕，无人敢来劝阻。孟兆页与阿剌浑撒里非常友好，劝他去奏请皇上大赦天下，免除赋税，这样就可能消弭天灾。阿剌浑撒里按照孟兆页的意见向皇帝奏禀，并得到皇帝的允许。诏书已经草拟好了，桑哥大怒，说这不是皇上的旨意。孟兆页挺身而出对桑哥说：“百姓死亡已尽，那些未征上来的钱粮到哪里去征？若不及时免除，以后若有人将此未征之数千万钱粮作为损失而归咎于尚书省，这岂不深深连累了丞相？”桑哥明白其利害，同意全部免除，人民因而得救。
世祖曾问孟兆页，叶李与留梦炎哪个好。孟兆页说：“梦炎是我父亲的挚友，为人庄重厚道，很自信，多谋能断，有大臣之才。叶李所读的书我都读过，他所知所能的事，臣都能知能办。”世祖说：“你是认为梦炎比叶李要贤吗？但是，梦炎在宋朝为状元，位至丞相，而在贾似道欺上误国之时，梦炎却对贾似道阿谀顺从。叶李当时虽为平民，却敢于上书朝廷，斥责贾似道，显然贤于梦炎。你因为梦炎是你父亲的挚友，不敢非议，可赋诗以规劝他。”孟兆页赋诗一首，其中有“往事已非那可说，且将忠直报皇元”之语，世祖看后大加赞赏。孟兆页退朝后对奉御彻里说“：皇上在谈论贾似道误国时，责备留梦炎当时不敢指责。如今，桑哥的罪恶甚于似道，而我等不加指责，将来如何能推卸责任？然我毕竟不是皇上亲信之臣，说话皇上必不听从。侍臣中读书知理、慷慨有气节而又为皇上所亲信的人中，没有能超过你的。捐出自己生命而为百姓除害，是仁者之事，希望你能这样！”彻里果然向世祖揭发桑哥的罪恶。世祖大怒，命卫士掌嘴，彻里口鼻血涌，倒在地上。再问，彻里还是斥责桑哥罪行，大臣也相继指责桑哥，于是世祖将桑哥按罪诛杀，并废除尚书省，凡有罪的大臣也统统罢官。
世祖有意让孟兆页参与中书省政事，孟兆页坚持不肯。他预料，久在君王身边，必受人嫉妒，故极力请求到外地任职。至元二十九年(1292)，出任同知济南路总管府事。当地有个叫元掀儿的人，在盐场服役，因不胜艰苦而逃走。其父诬告是同服劳役的人将掀儿杀害了。孟兆页怀疑其中有冤情，不立即判决。过了一月，掀儿自己回归盐场。郡中人都称赞孟兆页料事如神。佥廉访司事韦哈刺哈孙，性情暴虐，因孟兆页不顺他的意，借口中伤他；恰逢朝廷要修《世祖实录》，召孟兆页还京，这才无事。其后，调孟兆页为汾州知州，还未成行，又令他书写金字《藏经》，接着又任命为集贤直学士、江浙等处儒学提举，后调任泰州尹。
至大三年(1310)，召孟兆页回京师，授翰林侍读学士，命与其他学士共同撰写祀南郊祝文。在拟定殿名的问题上，与其他人意见不合，告假还乡。仁宗在东宫时，就闻知孟兆页之名，即位后召他任集贤侍讲学士、中奉大夫。延..元年(1314)，改任翰林侍讲学士，后又任集贤侍讲学士、资德大夫。延..三年，拜翰林学士承旨、荣禄大夫。帝待他甚厚，只呼其字而不呼其名，在与侍臣谈论文学之士时，把孟兆页比作唐代李白、宋代苏子瞻，称赞他品行纯正，博学多闻，书画绝伦，又精通佛学及老庄之学，这些都是人所不及的。不乐意的人想离间仁宗与孟兆页的亲密关系，仁宗不加理会。既而又有人上书，奏请朝廷不能让孟兆页参与编修国史。仁宗说“：赵子昂是世祖皇帝选拔的重臣，朕特加优待，让他在馆阁从事著述，传之后世，你们口罗嗦些什么？”赐孟兆页钞五百锭，叮嘱侍臣：“中书总说国用不足，这笔赏金他们必不肯付与，可从普庆寺库存中支给。”孟兆页曾数月不至宫中，帝问左右，都说孟兆页年老畏寒。帝令御府赐与貂鼠皮裘。
孟兆页原是因程钜夫的举荐而以兵部郎中起家的。后来钜夫任翰林学士承旨时辞官归家，朝廷以孟兆页代之。孟兆页就任后，先去拜谒钜夫，然后再入翰林院视事，当时传为士大夫的佳话。延..六年(1319)，获准南归。仁宗又遣使催他回朝，因病未能成行。至治元年(1321)，英宗遣使到孟兆页家中，命他书写《孝经》。二年六月病卒，年六十九岁。追封魏国公，谥“文敏”。
孟兆页的著作有《尚书注》、《琴原》、《乐原》，其诗文音律清新，含义深远，读之使人有飘然出世之感。其篆、籀、分、隶、真、行、草书，无不为古今之冠，因以书法闻名天下。天竺僧人，数万里来求其字归，国中视为珍宝。其画山水、木石、花竹、人马，尤为精致。前史官杨载，说孟兆页之才为书画所掩盖，知其书画者不知其文章，知其文章者不知其经邦济世之学。人们认为这是深知孟兆页才能的评语。其子赵雍、赵奕，都以书画知名。