Epoux de la comédienne Josiane Stoléru.

Patrick Chesnais entre à 18 ans au Conservatoire National d'Art Dramatique dans les classes de Lise Delamare et René Simon. En 1968, il obtient le Premier Prix de Comédie, et, durant une dizaine d'années, il se consacre pleinement au théâtre. C'est en 1976 qu'il fait ses débuts devant la caméra de Jacques Rozier avec Les Naufragés de l'île de la Tortue. En 35 ans de carrière, Patrick Chesnais joue dans plus d'une ciquantaine de films. Du rôle d'un contremaître inflexible dans L'Empreinte des géants (1980) à celui d'un journaliste idéaliste dans L'Oeil du maître, en passant par ceux d'un homme d'affaires suicidaire dans La Provinciale (1981) et d'un gitan dans Les Sacrifiés (1983), il multiplie les personnages atypiques qui font de lui un acteur inclassable.

En 1988, il donne la réplique à Miou-Miou dans La Lectrice, film pour lequel il obtient le César du Meilleur second rôle en 1989. Collaborant à deux reprises avec Claude Lelouch (Il y a des jours... et des lunes et La Belle histoire), Patrick Chesnais, la quarantaine fringante, devient le moustachu bafouilleur, séducteur et râleur qu'affectionne le public français. S'illustrant dans les comédies populaires Les Cigognes n'en font qu'à leur tête (1988) et Promotion canapé (1989), il se consacre énormément au petit écran avant de s'essayer à la réalisation avec Charmant garçon (2000), une comédie réussie pour laquelle il obtient le prix Alain Poiré du Meilleur réalisateur au Festival de St Jean-de-Luz.

Dès lors, sa carrière cinématographique trouve un second souffle sous la houlette d'une nouvelle génération de cinéastes au talent prometteur : Manuel Poirier (Te Quiero), Eric Assous (Sexes très opposés) ou encore Rémy Waterhouse (Mille millièmes, fantaisie immobilière). Père de la fausse ingénue Judith Godrèche dans la comédie de Philippe Harel Tu vas rire mais je te quitte (2004), il retrouve des rôles de tout premier ordre, ceux d'un huissier passionné de tango dans Je ne suis pas là pour être aimé (2005) et d'un chanteur has been sur le retour dans Une chanson dans la tête (2008). On le retrouve également aux côtés de Nathalie Baye dans Le Prix à payer (2006), de Michaël Youn dans Héros (2007) et de Mathieu Amalric dans Le Scaphandre et le papillon.

En parallèle à sa carrière cinématographique, il participe aux séries télévisées Duel en ville et Kaamelott d'Alexandre Astier vers la fin des années 2000. Oscillant entre drame (La Jeune fille et les loups) et comédie (Une chanson dans la tête), Patrick Chesnais enchaîne trois films traitant des relations complexes entre les amis et la famille dans Home Sweet Home (2008), Quelque chose à te dire (2009) et Le Code A Changé de Danièle Thompson. On le retrouve en 2010 en Guyanne, perdu en pleine jungle aux côtés de Clovis Cornillac et de Bruno Solo dans 600 kilos d'or pur.

Le comédien continue d'être très prolifique ; on peut ainsi voir sa dégaine débonnaire dans des registres différents comme la comédie (Vieilles Canailles, La Liste de mes envies, Le Grand partage), le drame (Tu seras mon fils, Bienvenue parmi nous, Hiver Rouge) ou la romance (Les Beaux Jours). En 2016 Chesnais est à l'affiche de deux nouvelles comédie, Juillet Août de Diastème dans lequel il campe un beau-père malmené par ses belles filles adolescentes, et Celui qu'on attendait de Serge Avédikian. Dans ce film, il campe Jean-Paul Bolzec, parti jouer son spectacle pour une société française installée en Azerbaïdjan. Sur le chemin du retour vers l’aéroport, le taxi tombe en panne. Bolzec est abandonné sur une route désertique, au milieu de nulle part. Sans s’en rendre compte, il franchit à pied la frontière avec l’Arménie, en guerre larvée avec son voisin l’Azerbaïdjan depuis des années.