Jongleur et magicien amateur, le jeune Patrick Dempsey trouve rapidement le chemin de la scène pour s'adonner à la comédie. Après s'être formé dans une troupe locale de son état natal du Maine, l'acteur s'illustre dans une représentation à San Francisco au début des années 80, puis part en tournée pendant un an dans la production "Brighton Beach Memoirs". L'année 1985 marque sa première apparition au cinéma dans la comédie Heaven Help Us avec Donald Sutherland.

Après une excursion sur le petit écran l'année suivante dans la courte série Fast Times (1986), Patrick Dempsey consacre en grande partie la suite de sa carrière aux longs métrages. Il multiplie les rôles et les comédies en incarnant successivement un lycéen en quête de popularité (L'Amour ne s'achète pas, 1987), un livreur de pizza (Loverboy, 1989), et un frère rebelle (Coupe de Ville, 1990). En 1991, il remonte au New York du début du siècle pour se glisser dans la peau du gangster Meyer Lansky, le partenaire de Christian Slater dans Les Indomptés, avant d'enquêter sur les meurtres de Scream 3 (2000) sous la direction de Wes Craven. Deux ans plus tard, il séduit Reese Witherspoon dans la comédie romantique Fashion victime (2002).

Côté télévision, il fait en 1993 une interprétation remarquée du futur président Kennedy dans la mini-série de ABC, JFK, le destin en marche. Quelques téléfilms plus tard, il incarne des personnages récurrents dans Deuxième Chance (2000), Will & Grace (2001) et The Practice (2004). Mais c'est en 2005 que le petit écran lui offre le rôle qui va changer sa carrière et faire de lui une star internationale : dans la série médicale Grey's Anatomy, il interprète le séduisant Docteur Sheperd qui ne laisse pas indifférente l'interne Meredith Grey (Ellen Pompeo). Durant seize ans et près de 250 épisodes, le public se prend de passion pour la relation amoureuse entre les deux médecins. Malgré le succès phénoménal du programme à la longévité impressionnante, le comédien raccroche sa blouse en 2021. 

En parallèle à la série, il s'illustre principalement au cinéma dans des romances, sûrement parce que l'image de celui qui est surnommé Dr Mamour lui colle à la peau. On le voit ainsi dans le film Disney Il était une fois... (2007), Le Témoin amoureux (2008), Valentine's Day (2010) ou encore Bridget Jones's Baby (2016), troisième volet consacré à la plus célèbre des célibataires londoniennes. C'est plutôt à la télévision qu'il s'essaie à d'autres registres avec la mini-série La vérité sur l'affaire Harry Quebert adapté du best-seller de Joël Dicker, et Devils, sur le monde de la finance.

Une fois la page Grey's Anatomy tournée, on retrouve Patrick Dempsey dans Il était une fois 2, la suite du conte Disney ; le sanglant Thanksgiving : la semaine de l'horreur d'Eli Roth où il est un shérif enquêtant sur un mystérieux tueur ; et Ferrari, biopic de Michael Mann consacré au pilote automobile et industriel italien. Un projet qui permet à l'acteur de lier la comédie à son autre passion : la course automobile. Pilote accompli, il participe régulièrement à des courses, dont les 24 heures du Mans.