Kazimierz Popiołek urodził się 25 lutego 1903 w Cieszynie, jako syn nauczyciela, historyka i publicysty, działacza Macierzy Szkolnej dla Księstwa Cieszyńskiego Franciszka Popiołka.
Studiował historię na Uniwersytecie Jagiellońskim. Po studiach pracował jako nauczyciel historii w szkołach średnich województwa śląskiego.

Okres II wojny światowej w większości spędził w Warszawie, gdzie był członkiem delegatury rządu ds. tajnego nauczania, a także sam prowadził lekcje w ramach tajnych kompletów. Kierował także Śląskim Biurem Szkolnym Departamentu Oświaty Delegatury Rządu RP na kraj. Brał udział w powstaniu warszawskim, po którym trafił do obozu koncentracyjnego najpierw w Gross Rosen a następnie w Litomierzycach.

Po II wojnie światowej był organizatorem i pracownikiem naukowym Instytutu Śląskiego a także kierownikiem Zakładu Historii Śląska Instytutu Historii Polskiej Akademii Nauk. W latach 1955-1964 był profesorem Uniwersytetu Wrocławskiego, dyrektorem Śląskiego Instytutu Naukowego, a następnie profesorem i prorektorem Uniwersytetu Jagiellońskiego. W latach 1968-1973 był współorganizatorem i pierwszym rektorem Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.
Był Kazimierz Popiołek wybitnym badaczem dziejów Śląska, ze szczególnym uwzględnieniem okresu powstań śląskich i okresu II wojny światowej. Napisał kilkudziesięciu prac naukowych, kilkaset rozpraw i kilkaset artykułów naukowych. Był członkiem Głównej Komisji Badania Zbrodni Hitlerowskich w Polsce Instytutu Pamięci Narodowej oraz członkiem Okręgowej Komisji Badania Zbrodni Hitlerowskich w Katowicach.

Wśród jego najważniejszych prac należy wymienić wydaną w 1984 roku pracę „Historia Śląska od pradziejów do 1945 roku”, w której zgromadził i podsumował w stosunkowo zwięzłej i przystępnej formie najważniejsze wyniki ówczesnych badań historiografii polskiej o Śląsku, dotychczas rozproszone w czasopismach i innych tego rodzaju wydawnictwach.

Siłą rzeczy nie uchronił się przed zabarwieniem politycznym typowym dla prac naukowych okresu socjalizmu, kiedy to władze oczekiwały od autorów eksponowania roli ruchów robotniczych w procesie dziejowym. Tego także Kazimierz Popiołek nie zdołał się ustrzec.

Kazimierz Popiołek zmarł 28 grudnia 1986 w Katowicach i tam też został pochowany.