Уилсон родился в Норфолке, штат Виргиния, в семье Мэри Кей Уилсон — профессиональной певицы и преподавателя по постановке голоса — и Джона Уилсона — ведущего новостей на местном филиале канала Fox, WTVT в Тампе, штат Флорида. Также его отец был ведущим на канале WAVY в Портсмуте в Виргинии. Марк, брат Патрика, также ведущий и репортёр на канале WTVT в Тампе.

Учитывая, что Патрик вырос в творческой семье, можно было предположить, что свою жизнь он захочет связать с телевидением. По некоторой информации, Том Хэнкс вдохновил Уилсона на то, чтобы стать актёром. В 1995 году окончил актёрский университет Carnegie Mellon по драматическому направлению. Первые шаги по выбранной специальности Патрик сделал на театральных подмостках. В 2002 году он был удостоен номинации на знаменитую премию «Тони» за роль Кёрли Маклейн в постановке «Оклахома». Примечательно, в 1998 году на сцене Королевского национального театра эту роль исполнял Хью Джекман. Помимо актёрской направленности, Патрик неплохо поёт — в своё время он был солистом симфонического оркестра.

Работа на телевидении началась в 2001 году — Патрик снялся в фильме «Свадьба моей сестры». Двумя годами позже, кинокомпания HBO пригласила его на роль Джо Питта в мини-сериал «Ангелы в Америке». Наибольшую известность принёс мюзикл «Призрак оперы», где Уилсону досталась одна из главных ролей Графа Рауля де Шаньи. В 2006 году Патрик вместе с Кейт Уинслет снимается в фильме «Как малые дети», одноимённой экранизации романа Тома Перротты. Эта картина лишний раз подчёркивает индивидуальность Уилсона как драматического актёра. А также долгое время обсуждается в прессе ввиду наличия откровенных сексуальных сцен. В 2008 году играет в Бродвейской постановке Артура Миллера «Все мои сыновья» вместе с Джоном Литгоу и Кэти Холмс. Прежде чем получить роль в фантастическом боевике «Хранители», Уилсон не проходит прослушивание в аналогичные проекты «Фантастическая четверка» и «Сорвиголова». В 2011 году актёр меняет жанр своих работ, и снимается в фильме ужасов «Астрал». В этот же период Уилсон получает главную роль в запускающемся сериале «Одаренный человек». Сериал просуществовал год — телеканал CBS принял решение ограничиться первым и единственным сезоном.

Личная жизнь

18 июня 2005 года Уилсон женился на Дагмаре Доминчик — американской актрисе польского происхождения, выпускнице «Carnegie Mellon» (в 1995 году получила степень по драматическим искусствам; окончила обучение в 1998 году). 23 июня 2006 года у пары родился первый сын Калин Патрик Уилсон. В честь этого актёр сделал на руке татуировку KPW — по имени сына. 9 августа 2009 появился на свет второй сын — Кассиан МакКаррелл Уилсон. В данный момент семья живёт в Монтклэр, Нью-Джерси.