Troisième fils du célèbre acteur, Patrick Wayne nait en 1939 alors que son père s'offre un grand retour cinématographique dans La Chevauchée fantastique de John Ford. Il débute à l'écran pour un rôle de figuration dans un film de son illustre père, Rio Grande (1950), et apparaît ensuite de façon non créditée dans plusieurs films de John Ford, avec ou sans son père : L'Homme tranquille, Le Soleil brille pour tout le monde ou Ce n'est qu'un au revoir.
A partir de Permission jusqu'à l'aube puis La Prisonnière du désert, ses rôles prennent de l'ampleur. En 1959, à 20 ans, il obtient le premier rôle du western Californie, terre nouvelle, dans lequel il donne la réplique à Yvonne Craig et Dennis Hopper. Il interprète l'année suivante le capitaine Bonham dans Alamo, réalisé par son père, avant de faire un caméo dans La Taverne de l'Irlandais et de rejoindre Les Comancheros et Le Grand McLintock.
John Ford fait de nouveau appel à lui pour son dernier film, Les Cheyennes, et c'est encore dans le western que Patrick Wayne parvient à se faire un prénom en incarnant un chasseur de primes dans An Eye for an Eye en tête d'affiche avec Robert Lansing.
Après Les Bérets verts il tient l'un des rôles importants de Big Jake, dans lequel il interprète le fils du personnage joué par John Wayne, qui l'a abandonné lorsqu'il était jeune. Leurs échanges dans ce western assez violent sont assez savoureux, d'autant plus que c'est la dernière fois qu'il donne la réplique à son père.
En solo, il peine à trouver des rôles marquants. Perdu au sein d'un grand casting dans Les Dynamiteros (1970), tête d'affiche du médiocre Beyond Atlantis (1973), puis "papa" de trois ours dans Mes amis les ours, produit par Disney.
Après Sinbad et l'oeil du tigre et Le Continent oublié en 1977 mais dès l'année suivante, le thriller road-trip Texas Detour marque sa dernière tête d'affiche au cinéma.
A partir de 1981, c'est à la télévision qu'on le voit surtout, d'abord dans Drôles de dames, mais aussi L'Île fantastique, Matt Houston, Arabesque, MacGyver ou La Croisière s'amuse. En 1988, il incarne tout de même Pat Garrett dans Young Guns, avec toute la nouvelle génération d'acteurs de l'époque, puis s'éloigne peu à peu des plateaux.
Il signe une dernière apparition à l'écran dans Deep Cover, film d'action porté par Cynthia Rothrock en 1997. Son père étant décédé d'un cancer du poumon, Patrick Wayne devient président du John Wayne Cancer Institute en 2003.
Corentin Palanchini