Patrick Joseph Wilson nasce a Norfolk, in Virginia, il 3 luglio 1973, figlio di un'insegnante di dizione e cantante che gli passa il suo dono per la musica, e di un giornalista televisivo. Cresce in Florida e nel 1995 si laurea in arte drammatica alla Carnegie Mellon University. È un ottimo cantante e ballerino e va subito in tournée come sostituto col musical Miss Saigon a cui segue nel 1996 Carousel. Nel 2001 viene candidato al Tony per il ruolo di Jerry Lukowski in The Full Monty, lo spettacolo con cui debutta a Broadway. Un’altra nomination arriva l’anno successivo per il ruolo protagonista in Oklahoma! Nel 2004 viene candidato a Emmy e Golden Globe per la miniserie di Mike Nichols Angels in America. Dopo il debutto cinematografico in My Sister’s Wedding, diventa presenza costante anche al cinema, appare in Alamo – Gli ultimi eroi, è Raoul nella trasposizione del musical Il fantasma dell’Opera e nell’apprezzato thriller con Ellen Page Hard Candy (2005), ricopre il ruolo di un pedofilo. È poi uno dei protagonisti di Correndo con le forbici in mano e interpreta un nutrito numero di pellicole, tra cui il thriller di Neil LaBute La terrazza sul lago, Passengers al fianco di Anne Hathaway, ed è Nite Owl, il Gufo Notturno, uno dei supereroi vigilantes in disarmo di Watchmen (2009) di Zack Snyder dal graphic novel di Alan Moore.
Dopo A-Team e Due cuori e una provetta nel 2010, arriva per lui il ruolo protagonista nell’horror di James Wan Insidious, che lo vedrà anche tornare nel sequel del 2013 Oltre i confini del male. Dopo Punto d’impatto e Young Adult, appare nella serie A Gifted Man tra il 2011 e il 2012, anno in cui ha un ruolo anche in Prometheus. Torna a lavorare con James Wan per un altro horror di enorme successo, L’evocazione – The Conjuring (2013), in coppia con Vera Farmiga, e nel sequel del 2016 The Conjuring – Il caso Enfield. Dopo una serie di film il più interessante dei quali è Stretch di Joe Carnahan, ottiene il ruolo del detective Lou Solverson nella seconda stagione della premiatissima serie tv Fargo, per cui nel 2016 viene di nuovo nominato al Golden Globe. Nel 2015 fa parte del cast stellare del western horror di culto Bone Tomahwak. È sua la voce originale di POTUS in Batman v Superman: Dawn of Justice. Nel 2016 è protagonista di A Kind of Murder, dal romanzo di Patricia Highsmith e del thriller di confine The Hollow Point ed è nel cast di The Founder di John Lee Hancock, sul fondatore di McDonald’s. Nel 2005 ha sposato la modella e attrice di origine polacca Dagmara Dominczyk, da cui ha avuto due figli: Kalin Patrick nel 2006 e Kassian McCarrell nel 2009. Vive con loro nel New Jersey. Nel 2010 ha cantato l’inno americano allo Yankee Stadium per l’inaugurazione del nuovo stadio e, negli anni, ha prestato la sua voce a diverse iniziative benefiche.