Né à Lewiston aux Etats-Unis, Patrick Dempsey débute sa carrière artistique au théâtre. Après avoir fait ses premières armes dans une troupe du Maine, il s’illustre dans la pièce Brighton Beach Memoirs, où il joue le premier rôle pendant plus d’un an à travers les Etats-Unis.

En 1985, il abandonne les planches pour le cinéma, en tournant son premier film Heaven help us, avec l’acteur Donald Sutherland. Deux ans plus tard, il partage l’affiche avec Amanda Peterson dans la comédie romantique Can’t Buy Me Love de Ronald Miller.

Après quelques rôles récurrents dans les séries Once and again, Will and Grace et The Practice, on le retrouve en 2002, à l’affiche de Sweet Home Alabama avec Reese Witherspoon.

Sa carrière va véritablement être propulsée grâce au succès de la série Grey’s Anatomy, qui lui a permis d’être désigné meilleur acteur d’une série télévisée lors des People’s choice Award en 2007 et 2008, et d’être nommé deux années consécutives aux Golden Globes en 2006 et 2007. Désigné meilleur acteur d’une série télévisée en 2007 par le Screen Actors Guild, il obtient un rôle dans une grosse production de Walt Disney, Il était une fois et partage l’affiche avec l’actrice Hillary Swank dans le film plébiscité par la critique Ecrire pour exister. En 2008, Patrick Dempsey apparait à l’affiche du film Le témoin amoureux, où il joue aux côtés de Michelle Monaghan et Sidney Pollack.

Les 13 et 14 juin 2009, Patrick Dempsey a participé aux 24 Heures du Mans au volant de la Ferrari F430 du Team Seattle Advanced Engineering, dans le but de récolter des fonds pour le Seattle Children's Hospital et l'association française Mécénat Chirurgie Cardiaque.

En 2011, il incarne Dylan Gould dans le troisième volet de Tranformers. Patrick Dempsey sera de nouveau à l’affiche au moment des fêtes de fin d’année, dans le film Flypaper, dans lequel il interprète le rôle principal.