Патрик Демпси родился 13 января 1966 года. Вырос на склонах Ирландии, в Льюистоне (штат Мэйн, США), младший из трех детей. До того, как ему исполнилось десять, в нем проснулся интерес к жонглированию и магии. Он начал выступать в местных группах как фокусник, жонглер и кукловод марионеток.

Неуспевающий из-за дислексии (которую с тех пор преодолел) студент, он бросил колледж ради тура в Новую Англию. Демпси был замечен агентом, который предложил ему участвовать в пробах на гастрольную постановку "Torch Song Trilogy". Патрик получил роль, сыграв ту часть, которую в оригинале играл Мэтью Бродерик на Бродвее. Таким образом, он получил главную роль в гастрольном спектакле Нейла Симона "Brighton Beach Memoirs".

Дебют Патрика в кино состоялся в 1985 году в молодежной комедии "Небеса помогут нам". Хотя ему было 19 лет тогда, выглядел он значительно моложе, благодаря чему получил возможность играть подростков еще в нескольких картинах в течении следующих нескольких лет. Первой главной ролью Демпси была роль в фильме "Любовь не купишь" 1987 года, в которой он играет школьного умника, который платит популярной в колледже девушке за то, чтобы она изображала его подружку.

В том же году он сыграл в фильме "Под настроение", правдивую историю о пятнадцатилетнем мальчике, вступившим в отношения с женщиной вдвое старше себя, которая вышла за него замуж.

Несмотря на то, что Демпси работал не покладая рук на телевидении и в постановках, его работа в основном игнорировалась, и он пропал из поля зрения общественности. Но когда он получил роль в телесериале "Опять и снова" (1999-2002), играя психологически неуравновешенного брата персонажа Селы Ворд, то удостоился награды Эмми, и его популярность возросла.

В 2002 году он вместе с Риз Уизерспун снялся в романтической комедии "Стильная штучка", где исполнил роль привлекательного и богатого юношу. Фильм получил хорошие отзывы критиков и зрителей.

Заслужила интерес и роль Патрика в фильме "Клуб императора" (2002), главную роль в котором исполнил Кевин Кляйн.

В 2005 году Патрик получил роль доктора Дерека Шепарда в сериале "Анатомия страсти" (2005-...), которая сделала его всемирно известным.

В 2006 году Демпси вместе с Хилари Суонк снялся в картине "Писатели свободы".

В 2007 году он снялся в сказке "Зачарованная", где его партнершей по съемочной площадке стала Эми Адамс.

В 2008 году Патрик сыграл главную роль в фильме "Друг невесты", за которую его гонорар составил 4 миллиона долларов.

В 2011 году актер сыграл роль Дилана Гоулда в фильме "Трансформеры 3: Тёмная сторона Луны". Также в 2011 году Патрик сыграл роль Триппа в фильме "Липучка".

С 2004 года Патрик Демпси ежегодно принимает участие в Гран-при в автогонках серии GT и соревнованиях серии Pro. Среди его успехов в карьере автогонщика можно выделить второе место на соревновании Toyota Pro/Celebrity Race в 2006 году, а также третье место на Американской серии Ле-Ман в 2012 году.

Кроме того, Патрик трижды принимал участие в автомобильных гонках на выносливость 24 часа Ле-Мана в 2009, 2013 и 2014 годах, заняв в них 9, 4 и 5 места, соответственно.