Dev Patel grandit à Londres. Sa passion pour le taekwondo l'accompagnant toute sa jeunesse, c'est sur les tatamis qu'il est visible, avant que sa vie ne soit bouleversée par la série Skins en 2007. Le public le découvre dans le rôle d'Anwar et la série ado-trash devient rapidement un phénomène de société.

Cette reconnaissance lui permet de connaître une nouvelle exposition, mondiale cette fois lorsqu'il décroche le rôle principal de Jamal dans le multi-oscarisé Slumdog Millionaire où Danny Boyle, s'inspirant du cinéma de Bollywood, façonne une romance musicale qui devient un véritable succès populaire. Il faut attendre deux ans avant que le jeune acteur ne digère ce succès et ne revienne sur les écrans, pour Le Dernier maître de l'air, revisite d'une série d'animation par M. Night Shyamalan.

Un an plus tard, Dev Patel poursuit sa carrière d’acteur dans le très exotique Indian Palace où il interprète Sony, jeune gérant maladroit du Marigold Hotel, en Inde. En 2012, le jeune homme revient à ses premières amours en intégrant le casting de la série télé The Newsroom, dans laquelle il incarne, durant les trois saisons, Neal Sampat, expert en informatique et rédacteur du blog de Will (le personnage principal).

2015 est une année prolifique pour Dev Patel puisqu’il est à l’affiche de plusieurs projets. Outre son rôle de Deon, le créateur scientifique de Chappie (Neill Blomkamp), le comédien retrouve son personnage de Sony dans Indian Palace - Suite royale et s’affiche aux côtés de Gary Oldman, Tom Hardy et Noomi Rapace dans Enfant 44, thriller sombre sur la traque d’un tueur d’enfants dans l'URSS des années 1950.

Il poursuit en jouant le médiamaticien Srinivasa Ramanujan dans le biopic L'Homme qui défiait l'infini et un jeune homme adopté cherchant à retrouver sa vraie famille dans l'émouvant Lion. Il goûte ensuite au registre du thriller avec Attaque à Mumbai et tourne sous la houlette de Wes Anderson dans La Merveilleuse Histoire de Henry Sugar et sous celle de David Lowery dans The Green Knight.

En 2023, Dave réalise son premier long métrage, Monkey Man, un film d'action dans la lignée de John Wick et qu'il mûrit depuis 2016. Il y campe un jeune homme qui sort de prison et se retrouve dans un monde violent.