Né en Virginie le 3 juillet 1973, il a grandi à St. Petersbourg, en Floride.
Egalement chanteur et compositeur, il a passé une licence à la Cargenie-Mellon University de Pittsburgh avant d'aller s'établir à New York pour y entamer sa carrière sur scène. Il a joué dans plusieurs pièces et comédies musicales puis a tenu le rôle principal, celui de Billy Bigelow, dans la reprise par Cameron Macintosh du spectacle de Rodgers & Hammerstein "Carousel". Applaudi pour la première fois dans l'adaptation musicale off-Broadway de "Bright Lights, Big City", pour laquelle il obtient son premier Drama League Award et une citation au Drama Desk Award.
Il est ensuite la vedette de "Fascinating Rhythm" à Broadway, une revue des chansons de George et Ira Gershwin, et remporte un autre Drama League Award. Il s'est aussi produit en Californie dans "L'oeuvre de Dieu, la part du Diable" à Los Angeles et dans "Doux oiseaux de jeunesse" . Patrick Wilson a été nommé à deux reprises au Tony Award du meilleur comédien pour un spectacle musical, pour les succès de Broadway "The full monty", el la reprise par Trevor Nunn de la comédie musicale de Rodgers & Hammerstein "Oklahoma !". Il a également obtenu pour cette pièce son troisième Drama League Award et des citations au Drama Desk et à l'Outer Critics Circle Award.
Côté télévision, il a partagé récemment avec Meryl Streep, Emma Thompson, Al Pacino et Mary Louise Parker la vedette de l'adaptation par Mike Nichols de la pièce de Tony Kushner "Angels in America", et a été cité au Golden Globe 2004 de la meilleure minisérie. Il a tenu le rôle-principal dans le film indépendant My sister's wedding, comédie romantique réalisée par David Leitner et présentée en compétition au Digidance Festival 2001 à Sundance. Il a dernièrement incarné le lieutenant-colonel William Barret Travis dans Alamo de John Lee Hancock, aux côtés de Jason Patric et Dennis Quaid.
En 2005 il est à l'affiche du film de Joel Schumacher, Le fantôme de l'Opéra d'après l'oeuvre de Gaston Leroux. En 2006, on le retrouve à l'affiche de Hard Candy de David Slade. La même année, il est remarqué aux côtés de Kate Winslet dans Little Children puis, en 2009, se paye le luxe de cotoyer Tom Cruise dans Valkyrie de Bryan Singer.
En 2009, on le retrouve à l'affiche du thriller Les passagers, réalisé par Rodrigo Garcia, puis du film Watchmen.
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