Après des études à la Carnegie Mellon University, Patrick Wilson se tourne vers la comédie et fait ses débuts sur les planches dans The Full Monty et Oklahoma. Deux pièces qui marqueront le début de sa reconnaissance artistique, tandis que ses prestations lui vaudront plusieurs nominations aux Tony Awards, Drama Desk Awards et Drama League Awards.

C'est dans le film indépendant My Sister's Wedding que Patrick Wilson tient son premier rôle au cinéma. Mais ce long métrage ne connaît pas un immense succès. L'acteur passe donc ensuite par le petit écran, pour les besoins de la série Angels in America, réalisée par Mike Nichols et dans laquelle il y campe un homosexuel qui a du mal à s'assumer. Rôle qui lui vaudra une nomination au Golden Globe et à l'Emmy Award.

En 2003, pour son second rôle au cinéma, Patrick Wilson partage l'affiche avec des grands noms du cinéma américain, puisqu'Alamo lui vaut de donner la réplique à Dennis Quaid et Billy Bob Thornton. Mais c'est avec sa participation au Fantôme de l'Opéra, de Joel Schumacher, que le comédien commence à rencontrer son public.

A l'aise avec tous les registres, l'acteur tient la tête d'affiche d'Hard Candy, qui connaît un immense succès au Festival de Sundance et dans lequel il se glisse dans la peau d'un photographe pédophile face à Elliot Page. Avec Little Children, l'acteur s'adonne au drame et donne la réplique à Jennifer Connelly et Kate Winslet. La justesse de son interprétation dans ce film troublant est un tournant dans la carrière de l'acteur, que l'on retrouve ensuite dans Harcelés, thriller psychologique de Neil LaBute, où, sur fond de racisme ordinaire, il se retrouve traqué par son voisin, Samuel L. Jackson.

Éclectique, Patrick Wilson navigue à partir de 2009 entre les films à gros budget (Watchmen - Les Gardiens, L'Agence tous risques, Prometheus), les comédies dramatiques (Morning Glory, Young Adult) et le cinéma de genre. C'est dans ce dernier registre que la carrière de l'acteur s'épanouit, grâce à sa rencontre avec James Wan. Ce prodige de l'horreur le dirige dans Insidious (2010) et sa suite (dans lesquels une famille est confrontée à des démons), ainsi que dans Conjuring : Les Dossiers Warren (2013). Inspiré par un vrai couple d'enquêteurs paranormaux, Ed et Lorraine Warren, le long-métrage est un succès et donne lieu à la franchise horrifique la plus lucrative de tous les temps, en comptant les spin-offs Annabelle et La Nonne. 

En parallèle de ce succès, l'acteur apparaît dans bon nombre de productions restées inédites en France (Stretch, Jack Strong, Dangerous Housewife, Desert Gun...). On croise aussi son regard clair à la télévision, le temps d'un épisode de Girls, ou au générique de A Gifted Man – centrée sur un neurochirurgien égocentrique qui communique avec le fantôme de sa femme – et de la saison 2 de Fargo. 

Il renoue à la fin des années 2010 avec les blockbusters grâce à deux cinéastes qu'il connaît bien, Zack Snyder (Batman v Superman : L’Aube de la Justice) et James Wan (Aquaman et sa suite Le Royaume perdu), et à un spécialiste du genre : Roland Emmerich. Le réalisateur allemand le dirige dans le film de guerre Midway (2019) et le film de SF Moonfall (2022). 

En 2023, Patrick Wilson passe à la réalisation avec Insidious: The Red Door, cinquième opus de la franchise et troisième volet consacré à la famille Lambert. Il retrouve pour l'occasion ses partenaires des deux premiers films, Ty Simpkins, Rose Byrne et Andrew Astor.