Sortie de l'Université de Yale, diplômée en arts dramatiques, Patricia Clarkson décroche, pour son premier rôle au cinéma, une place de choix dans Les Incorruptibles (1987) de Brian De Palma. Elle y incarne en effet Catherine Ness, l'épouse de l'agent Eliot Ness (Kevin Costner). Sa carrière de comédienne lancée, elle donne la réplique à des acteurs de renom comme Clint Eastwood dans La Dernière cible (1988), Burt Lancaster dans Le Rocher de Gibraltar, Peter Falk dans Tante Julia et le scribouillard. Mais c’est à la télévision qu’elle apprend le plus en enchaînant les téléfilms.

Souvent d'abord cantonnée aux rôles d'épouse aimante (La Ligne verte) ou de mère éplorée (The Pledge), elle devient petit à petit l'égérie du cinéma indépendant, s'illustrant entre autres dans Bienvenue à Collinwood (2002), Loin du paradis (2003), Dogville (2003) et The Station agent (2004), film pour lequel elle remporte de nombreux prix et qui lui vaut une nomination au Golden Globes de la meilleure actrice dans une comédie. La même année, son interprétation d’une mère dépressive dans Pieces of April lui permet d'être citée à l'Oscar de la meilleure actrice dans un second rôle. Mais c'est grâce à la télévision que le grand public la connaît davantage pour son personnage récurrent de la tante Sarah dans la série télévisée à succès Six pieds sous terre, qui lui rapporte deux Emmy Awards.

Plus récemment, sa filmographie s'étoffe encore grâce à des productions prestigieuses, comme Good Night, and Good Luck. (2006) de George Clooney ou Les Fous du roi. Elle est ensuite l'épouse à abattre de la comédie Married Life (2007), et tourne sous la direction de Woody Allen pour Vicky Cristina Barcelona (2007). Ces rôles engagés et ces directeurs de renom ne l'empêchent pas de continuer à tourner des films plus légers, comme Le Goût de la vie (2007). En 2008, elle multiplie les projets et renoue avec une matière plus dramatique, avec des films comme Blind Date, Hurricane Mary, Une fiancée pas comme les autres ou encore Elegy, où elle apparaît aux côtés de Ben Kingsley et de Penélope Cruz. Elle retrouve ensuite Woody Allen pour Whatever Works, dans lequel elle campe une mère sudiste très loufoque. L’année suivante, elle assiste à la descente aux enfers de Leonardo DiCaprio dans Shutter Island de Martin Scorsese. Patricia Clarkson revient ensuite vers la comédie avec deux films réalisés par Will Gluck : Easy Girl et Sexe entre amis, avant de donner la réplique à Anne Hathaway dans le drame romantique Un jour.