Patricio O'Ward a débuté sa carrière en karting en 2005, puis a fait ses premiers pas en monoplace en 2013.

Après plusieurs expériences dans diverses catégories, comme le championnat de F2000 du Pacifique en 2013 ou le championnat de France de F4 en 2014, il s'est illustré en 2016 en terminant troisième du championnat mexicain de F4, puis deuxième du championnat Pro Mazda. Parallèlement, il a brillé en endurance, remportant les 24 Heures de Daytona et les 12 Heures de Sebring en 2017.

Champion d'Indy Lights en 2018 avec Andretti Autosport, O'Ward a intégré l'IndyCar Series en fin de saison. En 2019, après un bref passage chez Carlin et dans les programmes de Red Bull Junior Team, il a choisi de se concentrer sur cette catégorie. Recruté par Arrow McLaren SP en 2020, il a terminé quatrième du championnat dès sa première saison complète.

En 2021, il remporte ses deux premières courses en IndyCar et termine troisième du championnat, devenant un prétendant sérieux au titre. Récompensé par un test en Formule 1 avec McLaren, il continue de représenter Arrow McLaren SP, avec l'objectif de décrocher le championnat IndyCar pour envisager un futur en F1.

Malheureusement, malgré deux victoires en 2022, il ne termine qu'à la septième place du classement IndyCar en 2023, mais cette fois sans victoire. Ces mêmes années, il participe aux EL1 d'Abu Dhabi pour le compte de McLaren F1 afin de répondre aux obligations des écuries de faire courir un jeune pilote sur le circuit de leur choix.

L'année 2024 est une fois de plus une saison en demi-teinte au classement du championnat du monde d'IndyCar où il termine cinquième, malgré ses trois victoires. Il participe de nouveau à des essais libres avec McLaren, mais cette fois devant son public, à Mexico.