Dempsey a Maine állambeli Lewiston-ban töltötte a gyermekkorát. Színházi debütálása a „Kakukktojás”-ban, egy San Francisco-ban színpadra állított darabban volt. Karrierjének kezdetén meg kell említeni „Az aranytó” c. filmet és Gene Saks rendezésében a „Brighton Beach Memoirs” című nemzetközi szinten is meghatározó darabot, valamint a Roundabout Theatre de New York előadásában, a „The Subject Was Roses” című színdarabot.
Legújabban a Pasadena-i Playhouse-ban volt látható Algernon Moncrieff szerepében a „L’Importance d’être Constant” című darabban. Patrick Dempsey jelenleg a Grace klinika című amerikai sorozatban játszik. Ő formázza meg Dr. Derek Shepherd orvost, mely szerepért 2007-ben elnyerte a "Screen Actors Guild Award" ill. a "People's Choice Award"-díjakat. Patrick a 2006-os és a 2007-es Golden Globe-on is jelölést kapott a Legjobb színésznek járó díjra, a Legjobb televíziós sorozat-drámai kategóriában, valamint a Screen Actors Guild Award szintén a Legjobb színésznek járó díjra a Legjobb televíziós sorozat-drámai kategóriában.
Patrick Dempsey filmes karrierje szintén mozgalmas. „A boldogító talán” (Made of Honor) című romantikus vígjáték 2008. május 2-i bemutatója hatalmas sikert aratott. Patrick jelenleg Amy Adams oldalán látható a „Bűbáj” című Disney produkcióban, melyet Golden Globe-díjra is jelöltek. Emellett a „Saját szavak” című filmben Hilary Swank partnereként látható. A film nagy visszhangot váltott ki a kritikusok körében.
Patrick az "Örömkölyök" és a "Bérbarátnő álomáron" című filmekkel vált ismertté a 80-as években. E korabeli filmjei közül meg kell említeni a „Mindenütt nő” (Fashion Victim), a „Sikoly 3”, a „Tanulj, tinó”, a „Vírus” (Outbreak), a „Pancsolj, pancser!”, a „The Treat”, a „Császárok klubja” , a "Heaven Help Us", a „Szerelem albérletben”, a „Vannak lányok...”, a „Régi idők kocsija”, a „Cserbenhagyás”, a „Négykezes géppisztolyra”, és a „Bum-bum kölyök” c. filmeket.
2001-ben Emmy-díj jelölést kapott Aaron Brooks, Sela Ward pszichikailag instabil testvérének szerepében nyújtott alakításáért, a „Once & Again” című televíziós sorozatban. 2003-ban, Patrick felejthetetlen alakítást nyújt a „Will & Grace” című, nagy sikerű NBC sorozatban a szerelmes Will szerepében. 2004-ben az „Iron Jawed Angels” című nagysikerű HBO produkcióban, Hilary Swank és Angelica Huston partnereként nyújtott kiemelkedőt. Patrick játszott még a Dosztojevszkij regénye alapján készült „Bűn és bűnhődés” című NBC produkcióban, Ben Kingsley oldalán, ill. a „Nemo kapitány és a víz alatti város” című mini-sorozatban Michael Caine partnereként. Feltűnt Oliver Reed mellett a „Jeremiás próféta” bibliai időkben játszódó filmben.
A számos televíziós filmben és mini-sorozatban nyújtott alakításai mellett, fontos még megemlíteni a következő alkotásokat: „Az ifjúság évei”-t (JFK: Reckless Youth), a „Season in Purgatory”-t, a „Blood Knot”-ot, a „The Right to Remain Silent”-et, a „Sekély sírhant”-ot és”A szexbombá”-t.