Après avoir fait partie de l'équipe de France espoir de ski alpin, Patrick Tambay se tourne vers le sport automobile dans les années 1970. Il participe au championnat d'Europe de Formule Renault en 1972, puis se classe deuxième en 1973, derrière René Arnoux.

Il débute en Formule 2 en 1974 et remporte son premier succès sur le circuit de Nogaro, avec une Alpine-BMW. L'année suivante, il court avec une March et termine à la deuxième place à quatre reprises, remportant une autre victoire toujours sur le circuit de Nogaro. Il se classe troisième du championnat. En 1976, pour ne rien changer, il remporte une troisième victoire consécutive à Nogaro, décroche six podiums supplémentaires et se classe de nouveau troisième du championnat. Cette année-là, il participe également aux 24 Heures du Mans au volant d'une Alpine-Renault.

Ne trouvant pas immédiatement de volant en F1, il s'engage dans le championnat nord-américain Can-Am avec l'écurie Carl Haas. Il y domine largement la saison, remportant six des neuf courses et décrochant le titre de champion dès sa première participation. C'est lors de la dernière manche qu'il fait la connaissance de Gilles Villeneuve, qui deviendra un ami proche.

Ensign

Parallèlement, Patrick est recruté par l'écurie Theodore Racing pour disputer la fin de saison de Formule 1 au volant d'une Ensign N177-Ford. Il devait initialement prendre le départ de son premier Grand Prix en France, mais sa voiture n'étant pas prête, il se voit confier le volant d'une Surtees avec laquelle il ne parvient pas à se qualifier. C'est lors du Grand Prix de Grande-Bretagne qu'il participe à sa première course, mais il abandonne à cause d'un problème mécanique. Il enchaîne ensuite plusieurs courses en Europe, avec des fortunes diverses : abandon en Autriche, puis sixième place en Allemagne, qui lui permet de marquer son premier point au championnat du monde. Lors des essais du Grand Prix d'Italie, il est victime d'une sortie de piste à plus de 200 km/h dans le virage de Lesmo, dont il ressort indemne. Son meilleur résultat survient au Grand Prix du Canada, où il termine cinquième, ajoutant deux points à son compteur. Il se classe 18e du championnat. Cette première saison, bien que partielle, attire l'attention de plusieurs écurie de pointe dont Ferrari et McLaren. Patrick choisit de signer avec McLaren pour la saison suivante.

McLaren

En 1978, il entame donc sa première saison complète en Formule 1 avec McLaren, qui traverse alors une période de transition. Il pilote la M26, un modèle vieillissant face à une concurrence de plus en plus affûtée. La saison commence de manière encourageante : il termine sixième dès le Grand Prix d'Argentine, marquant un point. Toutefois, les problèmes mécaniques s'enchaînent rapidement. Il abandonne lors des trois courses suivantes. Il termine septième à Monaco, juste en dehors des points. Il est forfait en Belgique après avoir été brulé à une jambe par le déclenchement de son extincteur lors du Grand Prix de Pau de Formule 2. Son meilleur résultat est une quatrième place en Suède. Il ajoute ensuite une sixième place en Grande-Bretagne, une cinquième en Italie et une sixième aux Etats-Unis. Malgré ces performances honorables, la M26 montre ses limites face aux Lotus à effet de sol. Patrick subit plusieurs abandons en deuxième moitié de saison, notamment en Allemagne et en Autriche. Il termine 17e du championnat et confirme son potentiel, mais souligne également les difficultés d'un jeune pilote à s'imposer au sein d'une équipe en perte de vitesse.

Il poursuit sa carrière en Formule 1 avec McLaren l'année suivante, mais la saison s'avère particulièrement difficile. L'écurie britannique, en perte de compétitivité, aligne toujours la M26, déjà dépassée par les monoplaces à effet de sol telles que les Lotus ou les Ligier. Patrick participe à 15 Grands Prix cette année-là, sans parvenir à marquer le moindre point. Il abandonne dès les deux premières courses, en Argentine et au Brésil, à la suite de collisions. Il termine dixième en Afrique du Sud, puis abandonne à nouveau aux Etats-Unis Ouest à la suite d'un accrochage. En Espagne, il se classe 13e, loin des points. La suite de la saison est marquée par deux non-qualifications consécutives à Monaco et en Belgique, un revers notable pour un pilote d'une équipe de premier plan. Il parvient à terminer dixième en France, puis septième en Grande-Bretagne, manquant les points de peu après être tombé en panne d'essence dans les derniers tours. Les abandons s'enchaînent ensuite : suspension en Allemagne, moteur aux Pays-Bas, en Italie, au Canada et aux Etats-Unis. Cette année marque la fin de sa collaboration avec McLaren.

Can-Am

Sans volant pour la F1, il retourne en Amérique du Nord pour disputer à nouveau le championnat Can-Am avec l'écurie Carl Haas, qui lui avait déjà permis de briller en 1977. Il pilote cette fois une Lola T530 à moteur Chevrolet, une voiture puissante mais exigeante. Patrick entame la saison avec autorité, remportant quatre victoires consécutives. Avec deux autres victoires à son actif, il remporte son deuxième titre dans la discipline. Ce retour au succès lui permet de regagner en crédibilité auprès des écuries de Formule 1, et ouvre la voie à son retour dans la discipline reine l'année suivante. Cette saison 1980 témoigne de sa capacité à rebondir après une période difficile, grâce à son expérience et à sa régularité dans un championnat très compétitif.

Theodore, puis Ligier

En 1981, Patrick effectue son retour en Formule 1. Il commence la saison avec l'écurie Theodore Racing, dirigée par Teddy Yip, au volant de la modeste TY01-Ford. Malgré un matériel peu compétitif, il parvient à marquer un point dès le Grand Prix des Etats-Unis Ouest à Long Beach, en terminant sixième. Il dispute ensuite cinq autres courses avec Theodore, sans résultat notable à part une septième place à Monaco. A mi-saison, il est recruté par Ligier pour remplacer Jean-Pierre Jabouille, encore convalescent. Il pilote alors la JS17 à moteur Matra, mais la fiabilité fait défaut. Il enchaîne alors huit abandons consécutifs avec Ligier, tous dus à des problèmes mécaniques ou des incidents de course. L'un des moments les plus marquants survient lors du Grand Prix de Las Vegas, où il est victime d'un spectaculaire accident, l'avant de sa voiture et le tableau de bord étant complétement arraché. Patrick détache son harnais et sort simplement du reste de sa voiture en boitant. Il termine la saison avec un seul point au championnat, à la 22e place. Malgré les difficultés rencontrées, il parvient à rester visible dans le paddock.

Ferrari

Après un début de saison 1982 sans volant, il est appelé par Ferrari en mai pour remplacer son ami Gilles Villeneuve, tragiquement décédé lors des essais du Grand Prix de Belgique. Patrick débute avec la Scuderia au Grand Prix des Pays-Bas, où il termine huitième, puis progresse rapidement. Il marque ses premiers points pour Ferrari en Grande-Bretagne avec une troisième place, puis en France avec une quatrième place. Le tournant de sa saison survient au Grand Prix d'Allemagne, à Hockenheim : seul pilote Ferrari au départ après l'accident de Didier Pironi la veille, Tambay s'élance depuis la quatrième position. Il profite de l'abandon de Nelson Piquet, impliqué dans un accrochage avec Eliseo Salazar, pour prendre la tête de la course et remporter sa première victoire en Formule 1. Ce succès, dans un contexte émotionnel très fort, est salué comme un hommage à Villeneuve et comme un soulagement pour Ferrari. Il enchaîne avec une quatrième place en Autriche et une deuxième place en Italie, à Monza, devant les tifosi. Il termine la saison à la septième place du championnat du monde des pilotes, mais son apport est surtout décisif dans l'obtention du titre constructeur pour Ferrari.

En 1983, Patrick Tambay est confirmé chez Ferrari. Il entame l'année avec ambition, au volant de la nouvelle 126C2B, puis de la 126C3 à partir de l'été. Il marque des points dès la première course au Brésil avec une cinquième place, mais abandonne à Long Beach. Il enchaîne ensuite une série de résultats solides : quatrième en France et à Monaco, victoire au Grand Prix de Saint-Marin à Imola devant un public entièrement acquis à Ferrari. Ce succès, obtenu après avoir mené la majeure partie de la course, est son deuxième en Formule 1. Il enchaîne avec une deuxième place en Belgique, puis deux troisièmes places au Canada et en Grande-Bretagne. Aux Pays-Bas, il termine à nouveau deuxième, consolidant ainsi sa position parmi les meilleurs pilotes de la saison. La fin de saison est plus difficile, marquée par plusieurs abandons. Il termine néanmoins quatrième du championnat du monde des pilotes, ce qui constitue son meilleur classement en carrière. Bien qu'il ait contribué au titre constructeur de Ferrari, le deuxième consécutif pour la Scuderia, son contrat n'est pas renouvelé.

Renault

En 1984, Patrick rejoint Renault après deux saisons solides chez Ferrari. Il fait équipe avec Derek Warwick au sein d'une écurie ambitieuse, mais confrontée à des problèmes de fiabilité persistants. Il pilote la RE50, une monoplace dotée d'un moteur turbo V6 prometteur mais capricieux. La saison commence difficilement : il abandonne lors des deux premières courses à la suite de pannes d'essence. Il obtient un premier résultat encourageant en Belgique avec une septième place, puis signe son meilleur résultat de l'année au Grand Prix de France, à Dijon-Prenois, où il termine deuxième derrière Niki Lauda. Ce sera toutefois le seul podium de la saison. Il marque ensuite des points en Allemagne (5e) et aux Pays-Bas (6e), mais subit de nombreux abandons. Il termine 11e du championnat du monde. Malgré quelques performances notables, la saison est marquée par l'irrégularité et les défaillances techniques, freinant les ambitions de Renault et de ses pilotes. Cette année marque le début d'un déclin progressif de l'écurie française en Formule 1.

Il poursuit avec Renault pour une seconde saison, toujours aux côtés de Derek Warwick. Il pilote la RE60, une évolution de la RE50, mais la voiture souffre de problèmes de fiabilité persistants et d'un manque de compétitivité face aux écuries dominantes telles que McLaren, Ferrari ou Lotus. Il commence pourtant la saison de manière encourageante avec une cinquième place au Brésil, puis enchaîne deux troisièmes places consécutives au Portugal et à Saint-Marin, ce qui constitue ses deux derniers podiums en Formule 1. Ces résultats laissent espérer une saison plus régulière, mais une série d'abandons et de contre-performances vient entacher sa fin de saison. Il ne termine que six courses sur seize. Il termine sixième en France, puis septième en Italie et douzième au Nürburgring lors du Grand Prix d'Europe. Il clôt la saison à la 12e place du championnat.

Lola

En 1986, Patrick Tambay rejoint l'écurie américaine Haas-Lola, fondée par Carl Haas et soutenue par Ford. Il pilote la Lola THL2, équipée d'un moteur Hart en début de saison, puis d'un moteur Ford-Cosworth V6 turbo à partir de Monaco. L'équipe, encore en phase de développement, peine à rivaliser avec les écuries établies. Après un abandon au Brésil, il parvient à terminer huitième en Espagne, mais enchaîne ensuite avec six abandons. Il se classe à nouveau huitième en Allemagne, puis septième en Hongrie. Il termine dans les points pour la première et seule fois de la saison en se classant cinquième en Autriche. La fin de saison est marquée par deux accrochages et deux courses où il est non classé, à 8 et 12 tours du vainqueur. À l'issue du Grand Prix d'Australie, il annonce son retrait de la Formule 1. Il termine la saison à la 18e place du championnat. Cette année marque la fin de sa carrière en Formule 1, après 114 Grands Prix disputés, 11 podiums et 2 victoires. Malgré les difficultés rencontrées avec Haas, il reste une figure respectée du paddock, appréciée pour son professionnalisme et sa résilience.

L'après-F1

En 1987, il participe brièvement au championnat du monde des voitures de sport avec Jaguar, notamment aux 24 Heures du Mans, mais abandonne en course. Il revient à plusieurs reprises dans cette discipline jusqu'en 1989, se classant quatrième au Mans et montant sur le podium en terminant deuxième lors des 480 km de Jarama.

Parallèlement, il devient consultant pour la télévision française, notamment pour TF1, où il commente les Grands Prix de Formule 1 aux côtés de Pierre Van Vliet. Il est apprécié pour son expertise technique et son ton posé.