Dempsey şi-a petrecut copilăria la Lewiston, în Maine. A debutat în teatru cu "Torch Song Trilogy", o piesă produsă la San Francisco. Printre celelalte piese de debut al carierei sale, vom reţine "On Golden Pond" pentru Maine Acting Company, "Brighton Beach Memoirs", producţia itinerantă internaţională, în regia lui Gene Saks şi "The Subject Was Roses" la Roundabout Theatre din New York. În final a revenit pe scena din Pasadena Playhouse, în rolul lui Algernon Moncrieff în "The Importance of Being Earnest".
Patrick Dempsey joacă în prezent în Grey's Anatomy, serialul-revelaţie al anului, la ABC. Rolul interpretat ca Dr Derek Shepherd i-a adus în 2007 un Screen Actors Guild Award şi People's Choice Award. Patrick a fost nominalizat la Globul de Aur 2007 şi 2006 pentru Cel Mai Bun Actor de serial dramatic televizat, precum şi la Screen Actors Guild pentru Premiul pentru Cel Mai Bun Actor de serial dramatic.
Cariera cinematografică a lui Patrick Dempsey este la fel de împlinită. Made of Honor, comedia sa romantică, a făcut obiectul unei lansări mondiale la data de 2 mai 2008. P. Dempsey a fost văzut recent alături de Amy Adams în Enchanted, filmul de la Disney nominalizat pentru un Academy Award, precum şi în Freedom Writers, film apreciat de critică, alături de Hilary Swank.
P. Dempsey a devenit celebru în rolul seducătorului nesigur din filme clasice din anii 80, cum ar fi Can’t Buy Me Love şi Loverboy.
Dintre celelalte filme ale sale trebuie menţionate Sweet Home Alabama, Scream 3, With Honors, Outbreak, Hugo Pool, The Treat, The Palace Thief, Heaven Help Us, Happy Together, Some Girls, Coupe De Ville, Run, Mobsters şi In The Mood.
El primeşte şi în 2001 o nominalizare la un premiu Emmy pentru interpretarea rolului lui Aaron Brooks, fratele instabil psihologic al lui Sela Ward din Once & Again, serialul salutat unanim de critici. În 2003, Dempsey a avut o apariţie deosebită în Will & Grace, serialul de succes de la NBC, în rolul iubitului lui Will. În 2004, Dempsey împarte afişul filmului Iron Jawed Angels, producţie remarcabilă HBO, alături de Hilary Swank şi de Angelica Huston.
Dempsey a mai jucat în Crime and Punishment produs de NBC, după opera lui Fyodor Dostoyevsky, cu Ben Kingsley. Îl mai putem vedea în mini-serialul televizat, 20,000 Leagues Under the Sea, cu Michael Caine. De asemenea, a împărţit afişul epopeii biblice Jeremiah cu Oliver Reed. Printre celelalte filme de televiziune şi mini-seriale ale sale menţionăm JFK: Reckless Youth, A Season in Purgatory, Blood Knot, The Right to Remain Silent, Shallow Grave şi Blonde.