Petite-fille de paysans et fille de boulanger, la jeune Patricia Mazuy entre un an à HEC, où elle s’occupe surtout du ciné-club. Après l’arrêt de ses études, elle part pour les Etats-Unis et devient nounou à Los Angeles. Au début des années 80, une succession de rencontres la conduit définitivement vers le monde du cinéma. Avec l’actrice Laure Duthilleul (une ancienne camarade d’HEC), elle réalise son premier court-métrage, et rencontre également la réalisatrice Agnès Varda ainsi que la monteuse Sabine Mamou. Cette dernière lui donne sa chance comme stagiaire sur Une chambre en ville de Jacques Demy, avant de la prendre comme assistante monteuse sur Le Mur de Yılmaz Güney.

Après avoir monté quelques films, dont Sans toit ni loi avec Sandrine Bonnaire, qui sera l'héroïne de son premier long-métrage Peaux de vaches, Patricia Mazuy s'oriente vers la réalisation. Peaux de vaches sort en France en 1989. Récit d'un règlement de compte familial dans une ferme du Nord de la France, cette œuvre est saluée par l'ensemble de la critique, et obtient une nomination au César du Meilleur premier film. Mais, ne parvenant pas à mener à bien ses autres projets pour le cinéma, la réalisatrice se tourne vers le petit écran, signant des épisodes de séries américaines (Le Voyageur, etc.), et un documentaire sur les bovins et les manipulations génétiques (Des taureaux et des vaches).

Avec Travolta et Moi en 1994, sa contribution très remarquée à la série d'Arte Tous les Garçons et les filles de leur âge, elle reçoit un Léopard de bronze au Festival de Locarno. Ce n'est qu'en 2000 que sa troisième réalisation, Saint-Cyr, une commande sur laquelle elle travaillait depuis 9 ans, voit enfin le jour. Relatant la création de l'école de jeunes filles par une Mme de Maintenon orgueilleuse et cruelle incarnée par Isabelle Huppert, ce film d'époque très personnel est décrit par Patricia Mazuy comme un "Full metal jacket en jupons". Il reçoit les honneurs de la Sélection officielle au Festival de Cannes, et décroche le prix Jean-Vigo.

Mazuy fait un retour inattendu en 2004, en co-réalisant avec son compagnon Simon Reggiani le film Basse Normandie, un long métrage singulier sur l'histoire d'un homme se rendant au Salon de l'agriculture... Pour lire du Dostoievski à cheval devant un millier de paysans ! En 2012, elle retrouve l'univers hippique en signant Sport de filles, dans lequel Marina Hands et Bruno Ganz se partagent l'affiche. Dans ce drame équestre, une cavalière est prête à tout pour vivre sa passion du dressage, malgré sa condition modeste...

Après avoir joué dans les comédies Deux Rémi, deux et Jamais contente, Patricia Mazuy revient à la réalisation et met en scène Paul Sanchez est revenu ! (2018), un thriller voyant Laurent Laffite se glisser dans la peau d'un criminel recherché depuis dix ans, qui réapparaît sur les lieux du crime...