Patrick Depailler commence sa carrière automobile dans les années 1960, d'abord sur deux roues. Il se distingue rapidement sur une Benelli 50 cm³, impressionnant Jean-Pierre Beltoise par sa maîtrise des trajectoires. Ce dernier l'aide alors à accéder à des machines plus compétitives. Cette période marque le début d'une relation durable entre les deux hommes, qui partageront plus tard des victoires en endurance.

Parallèlement, il s'essaie à la compétition automobile avec une Lotus Seven dans la Coupe des Provinces. Il intègre ensuite l'école de pilotage de Magny-Cours et participe au Volant Shell, un tremplin pour les jeunes pilotes. Bien qu'il ne remporte pas la finale, il est repéré par Alpine et devient mécanicien-essayeur chez Jean Rédélé en 1967. Ses débuts en Formule 3 se font sur une Alpine Renault. Il remporte sa première course lors du Grand Prix de Paris, à Montlhéry. Malgré des performances irrégulières dues à la fiabilité des Alpine, il progresse et termine cinquième du championnat de France en 1967, puis quatrième en 1969, avec une victoire à Montlhéry. Il participe aux 24 Heures du Mans dès 1967 en endurance, mais est souvent contraint à l'abandon, sauf en 1971 où il termine la course sur une Ligier JS3, sans toutefois être classé. En 1970, sans volant régulier, il court en Formule 2 sur une Pygmée, grâce au soutien d'Elf, mais sans résultats marquants. Il remporte néanmoins le Tour Auto avec Beltoise et Jean Todt sur une Matra MS650.

L'année 1971 marque un tournant. Avec une Alpine F3 équipée d'un moteur préparé par Bernard Dudot, il devient champion de France avec six victoires. Il s'impose également au Grand Prix de Monaco de Formule 3 sous une pluie battante, une performance qui attire l'attention de Ken Tyrrell. En 1972, il pilote une March 722 en Formule 2 et termine troisième du championnat d'Europe, avec des podiums à Pau, Enna-Pergusa et Albi.

En F1 avec Tyrrell

Cette même année, il fait ses débuts en Formule 1 avec Tyrrell, engagé par Elf pour deux courses. Lors du Grand Prix de France à Charade, sur le circuit de ses débuts, il termine non classé, avec cinq tours de retard, en raison d'une crevaison et de problèmes de suspension. A Watkins Glen, il se classe septième, à deux places des points, confirmant ainsi son potentiel.

En 1973, Patrick poursuit son ascension en Formule 2, toujours soutenu par Elf. Il pilote une March 732 équipée d'un moteur BMW dans un championnat très relevé où s'affrontent des pilotes tels que Jean-Pierre Jarier, Mike Hailwood ou encore Vittorio Brambilla. Il se montre régulier et compétitif tout au long de la saison, décrochant plusieurs podiums, et termine troisième du championnat d'Europe. Cette performance confirme son statut de pilote prometteur capable de rivaliser avec les meilleurs dans une catégorie réputée pour sa difficulté. Parallèlement, il continue de faire des apparitions en Formule 1 avec Tyrrell, mais se contente d'un rôle de pilote d'essai ou de remplaçant. Il ne dispute pas de Grand Prix cette année-là, mais reste dans l'orbite de l'écurie britannique, ce qui prépare le terrain pour sa titularisation en 1974.

En 1974, il entame sa première saison complète en Formule 1 avec Tyrrell, aux côtés de Jody Scheckter. Il hérite du baquet laissé vacant par François Cevert, décédé tragiquement en fin de saison précédente. Cette titularisation marque une étape décisive dans sa carrière, le propulsant au plus haut niveau de la compétition. Dès le début de la saison, il fait preuve d'une belle régularité, même si la Tyrrell 007 n'est pas toujours à la hauteur des meilleures monoplaces. Le point culminant de sa saison survient lors du Grand Prix de Suède, où il signe la première pole position d'un pilote français en Formule 1, un exploit historique qui témoigne de sa vitesse pure. Lors de la course, il termine deuxième, derrière son coéquipier Scheckter, décrochant ainsi son premier podium en championnat du monde. Sa saison 1974 se conclut avec une neuvième place au championnat et une reconnaissance croissante dans le paddock. Elle marque le début d'une période de stabilité chez Tyrrell, durant laquelle Patrick va continuer à progresser.

En parallèle, Depailler continue de courir en Formule 2 sur une March. Il domine le championnat européen avec cinq victoires. Ce parcours impressionnant lui permet de remporter le titre de champion d'Europe de Formule 2.

En 1975, il poursuit sa carrière en Formule 1 avec l'écurie Tyrrell. Cette saison est marquée par une certaine régularité, même si la voiture n'est pas toujours aussi compétitive que les Ferrari ou les McLaren. Il réalise sa meilleure performance lors du troisième Grand Prix, au Grand Prix d'Afrique du Sud, en montant sur la troisième marche du podium, derrière Carlos Reutemann et Jody Scheckter. Il obtient également des places d'honneur : cinquième en Argentine et à Monaco, quatrième en Belgique et sixième en France. Il termine deuxième du Grand Prix de Suisse hors championnat, disputé sur le circuit de Dijon-Prenois. Il y décroche la deuxième place, derrière Clay Regazzoni. Ces performances témoignent de sa capacité à tirer le meilleur parti d'une monoplace parfois en retrait. La saison 1975 ne lui apporte pas de victoire, mais confirme sa solidité et sa constance. Il termine de nouveau neuvième du championnat et s'impose comme un pilote fiable capable de marquer des points régulièrement.

En 1976, Patrick entame sa troisième saison complète en Formule 1 avec Tyrrell. Il commence l'année au volant de la Tyrrell 007, mais l'arrivée de la Tyrrell P34 à six roues dès le Grand Prix d'Espagne marque un tournant technique majeur. Il se consacre pleinement au développement de cette monoplace atypique, dont il devient rapidement le principal artisan au sein de l'équipe. Sa saison commence fort : deuxième au Brésil, puis troisième à Long Beach avec la 007. Lors de la quatrième manche, en Espagne, il fait débuter la P34 et se qualifie en troisième position, mais abandonne lors de la course. Après un autre abandon en Belgique, il enchaîne avec trois podiums : troisième à Monaco, deuxième en Suède et deuxième en France. A mi-saison, il est deuxième du championnat, à égalité de points avec James Hunt. Malheureusement, il ne marquera aucun point lors des quatre Grands Prix suivants. Après une sixième place en Italie, il monte à nouveau sur le podium en terminant deuxième au Canada et au Japon, où il mène brièvement la course avant de céder sous la pluie. Ces résultats lui permettent de terminer quatrième du championnat, son meilleur classement en carrière.

En 1977, Patrick reste fidèle à Tyrrell et poursuit l'aventure avec la Tyrrell P34 à six roues, même si le concept commence à montrer ses limites. Contrairement à l'année précédente, la voiture a du mal à suivre le rythme des meilleures monoplaces, notamment face aux Lotus et aux Ferrari. Il ne monte sur le podium qu'à trois reprises. Il se classe troisième en Afrique du Sud lors de la troisième manche, puis deuxième au Canada et troisième au Japon lors des deux dernières manches. Il totalise déjà douze podiums dans sa carrière de Formule 1, mais jamais sur la plus haute marche ! Ces résultats confirment sa capacité à saisir les opportunités, même avec une voiture en retrait. En revanche, la saison est entachée par neuf abandons, souvent dus à des problèmes mécaniques. Il termine neuvième du championnat du monde.

Il participe également aux 24 Heures du Mans sur une Renault Alpine A442 aux côtés de Jacques Laffite. L'équipage est contraint à l'abandon alors qu'il occupait la deuxième place après plus de vingt heures de course, ce qui constitue une désillusion marquante dans sa carrière en endurance.

En 1978, il entame sa cinquième saison chez Tyrrell, au volant de la nouvelle Tyrrell 008, une monoplace à configuration classique, après l'abandon du projet à six roues. Dès le début de la saison, il affiche une belle compétitivité : troisième en Argentine, troisième aux États-Unis, puis deuxième en Afrique du Sud, derrière Ronnie Peterson. Ces résultats le placent parmi les prétendants sérieux au championnat. Le point culminant de sa saison survient lors du Grand Prix de Monaco, où il décroche sa première victoire en Formule 1 après 69 départs infructueux. Parti cinquième, il réalise un excellent départ et se hisse à la deuxième place. Il met ensuite la pression sur John Watson, leader de la course, jusqu'à provoquer une erreur de ce dernier au 38e tour, ce qui lui permet de prendre la tête de la course et de ne plus la lâcher jusqu'à l'arrivée. Cette victoire le propulse en tête du championnat du monde après cinq courses. Cependant, la suite de sa saison est plus difficile. Il abandonne lors des quatre Grands Prix suivants en raison de problèmes mécaniques. Il parvient toutefois à se ressaisir avec une quatrième place à Brands Hatch, puis une deuxième place en Autriche, derrière Ronnie Peterson. Il termine également quatrième au Canada, mais il reste en retrait lors des dernières manches. Il termine l'année à la cinquième place du championnat. Cette saison est marquée par une forme retrouvée, une victoire historique à Monaco et la fin de sa collaboration avec Tyrrell. Il quitte l'écurie à l'issue de l'année pour rejoindre Ligier en 1979.

Ligier

En 1979, il rejoint l'écurie Ligier aux côtés de Jacques Laffite, dans une équipe française en pleine ascension. La nouvelle monoplace, la JS11, dotée d'une aérodynamique avancée, s'impose rapidement comme l'une des plus performantes de la grille de départ. Dès les premières courses, Patrick se montre compétitif, se classant quatrième en Argentine puis deuxième au Brésil, tandis que Laffite remporte ces deux Grands Prix. Après un abandon en Afrique du Sud, il se classe cinquième à Long Beach. Lors du Grand Prix suivant, en Espagne, il s'élance de la deuxième place de la grille, derrière Laffite. Après avoir pris la tête dès le départ et résisté à la pression de Reutemann et Andretti, il remporte sa deuxième victoire en Formule 1. Cette victoire confirme la domination de Ligier en début de saison et le place parmi les prétendants au titre. Cependant, cette dynamique s'interrompt brutalement début juin. Alors qu'il effectue un vol en deltaplane dans le massif du Puy-de-Dôme, Patrick est victime d'un grave accident : il percute une paroi rocheuse à près de 70 km/h, ce qui lui cause de multiples fractures aux jambes et au pied. Il devra subir plusieurs opérations et observer une longue convalescence. Cet incident met fin prématurément à sa saison alors qu'il occupait la troisième place du championnat. Il se soumet alors à un programme de rééducation intensif, dans l'espoir de revenir dès la fin de la saison. Mais la perte de masse musculaire et la complexité des blessures l'empêchent de reprendre le volant en 1979. Il est remplacé par Jacky Ickx chez Ligier pour le reste de la saison. Lorsqu'il envisage son retour pour 1980, Ligier lui propose un contrat de pilote n° 2, derrière Jacques Laffite, considéré comme le leader naturel de l'équipe. Refusant d'être réduit à un rôle de « faire-valoir », Patrick décide de quitter l'écurie pour rejoindre Alfa Romeo pour la saison 1980.

Alfa Romeo

Il fait son retour en Formule 1 avec Alfa Romeo, une écurie historique qui tente de retrouver sa gloire passée. Il pilote la 179, une monoplace équipée d'un moteur V12, mais qui n'est pas encore assez compétitive pour rivaliser avec les ténors du championnat. Malgré les séquelles de son accident de deltaplane survenu l'année précédente, Patrick s'efforce de retrouver son niveau. Les premières courses sont éprouvantes physiquement, mais il affiche des performances encourageantes. A Long Beach, il se qualifie en troisième position, preuve qu'il retrouve sa vitesse, et à Monaco, il se bat dans le peloton de tête avant d'abandonner alors qu'il était quatrième. Cependant, la 179 souffre de problèmes de fiabilité et de conception. Alfa Romeo peine à maîtriser l'effet de sol et les abandons s'enchaînent. Patrick ne marque aucun point en huit courses, mais son implication technique est saluée.

Le 1er août 1980, lors d'essais privés en vue du Grand Prix d'Allemagne, il perd le contrôle de sa voiture dans l'Ostkurve à 280 km/h. La voiture s'encastre dans le rail de sécurité. L'accident est fatal. Les causes probables sont une défaillance mécanique ou une jupe latérale bloquée, qui aurait privé la voiture de son appui aérodynamique. Une semaine plus tard, Jacques Laffite remporte le Grand Prix d'Allemagne. Sur le podium, il refuse le champagne en hommage à son ami disparu.