Patrick débute dans la course automobile dans les années 70. Il court dans le championnat de Formule Renault, puis débute en Formule 2 en 1974. Il remporte son premier succès de la catégorie sur le circuit de Nogaro, avec une Alpine-BMW. L'année suivante, il termine à la deuxième place à quatre reprises et remporte une autre victoire, toujours sur le circuit de Nogaro. Et en 1976, pour ne rien changer, il remporte une troisième victoire consécutive à Nogaro et décroche six podiums supplémentaires. En 1977, il court dans deux championnats : le Can-Am avec l'écurie de Carl Haas, et le championnat du monde de F1 avec le Theodore Team.

Patrick court en F1 avec une Ensign N177, une voiture qui n'est pas la meilleure du plateau. Il réussit tout de même à rentrer dans les points à trois reprises. Il fait la connaissance de Gilles Villeneuve, qui devient un ami proche. En Can-Am, un championnat qui reprend après deux saisons d'absence, le pilote français remporte six épreuves, dont les cinq dernières du championnat, et s'octroie le titre sans problème. En 1978, Gilles Villeneuve part chez Ferrari, laissant sa place chez McLaren à Patrick. Mais ce dernier ne parvient qu'à décrocher une quatrième place comme meilleur résultat sur toute la saison. L'année suivante est encore pire, il se qualifie loin sur la grille de départ et ne marque aucun point.

L'aventure McLaren ayant été une véritable déception pour lui, il décide de passer la saison 1980 aux USA pour disputer le championnat Can-Am qu'il avait déjà remporté en 1977. Patrick rappelle ainsi que son talent existe bel et bien, il s'adjuge la victoire dans les six premières épreuves du championnat, et remporte un deuxième titre. Il revient en F1 en 1981, avec l'écurie Theodore. Dès la première course, il marque un point. En cours de saison, il quitte Theodore pour aller chez Ligier, ce qui sera désastreux : huit courses, huit abandons. A la fin de la saison, Patrick se retrouve sans volant pour la saison suivante.

En 1982, la Scuderia Ferrari est troublée par la mort de Gilles Villeneuve, et à mi saison, Patrick Tambay devient le coéquipier de Didier Pironi chez les rouges. Pour la première fois de sa carrière, il se retrouve au volant d'une voiture vraiment performante. Patrick peut ainsi remporter sa première course, sur le circuit d'Hockenheim et termine la saison avec une seconde place sur l'autodrome de Monza. La saison suivante, il décroche sa première pole position lors du Grand Prix du Brésil, trois autres suivront. Il remporte également la victoire sur le circuit Enzo e Dino Ferrari à Imola et avec quatre autres podiums dans la saison, termine à la quatrième place du championnat, derrière son coéquipier René Arnoux. A eux deux, ils offrent aussi à Ferrari le titre constructeur, pourtant, il est remercié à la fin de la saison.

Il trouve refuge chez Renault, une écurie qui a subi un coup dur en perdant les titres pilote et constructeur, qui un temps, semblaient acquis. De toute la saison 1984, Patrick ne connait la réussite que lors du Grand Prix de France, décrochant une pole-position et terminant à la deuxième place derrière Lauda, après avoir mené la course pendant quarante-neuf tours. En 1985, il termine troisième à Estoril et à Imola.

En 1986, Carl Haas arrive en F1 avec des Lola THL2. Il donne les volants à Alan Jones et au français. La voiture n'est pas vraiment performante, Patrick ne pourra faire mieux que cinquième en Autriche. C'est sa dernière saison en F1.

Patrick reprend le volant en 1989 pour une saison dans le championnat du monde de voitures de sport avec Jaguar avant de mettre un terme à sa carrière de pilote.