Né à Alger, Patrick Timsit déménage dès l'âge de deux ans à Paris. Ses études achevées, il travaille dans l'import-export puis l'immobilier avant d'être attiré par le théâtre. Si Claude Confortès lui offre son premier rôle au cinéma dans Paulette, en 1985, Timsit se fait surtout alors connaître pour ses one-man show comiques.

La carrière cinématographique de Patrick Timsit débute véritablement en 1990, avec un petit rôle dans Une époque formidable... de Gérard Jugnot. Deux ans plus tard, il confirme ses talents de comédien et devient vraiment populaire aux yeux du grand public avec La Crise de Coline Serreau, où il interprète Michou, l'alcoolique qui colle aux basques de Vincent Lindon. Une prestation attachante qui lui vaut d'être nommé au César du Meilleur second rôle masculin.

Après la comédie à succès Un indien dans la ville (1994), Timsit fait une tentative dans le polar avec Passage a l'acte (1996) et Le Cousin (id.; nomination au César du Meilleur acteur), mais il revient vite à un genre plus léger, en témoignent ses rôles dans Pédale douce (1997, nomination au César du Meilleur acteur), Paparazzi (1997), Le Prince du Pacifique (2000) ou encore L'Art (délicat) de la séduction (2001), réalisé par Richard Berry.

Populaire à l'écran, Patrick Timsit ne tarde pas à s'essayer à la réalisation. On lui doit ainsi les comédies Quasimodo d'el Paris (1998), dans laquelle il se donne le rôle-titre, Quelqu'un de bien (2002), où il donne la réplique à José Garcia, et L' Américain (2003). Touche-à-tout, il s'essaie même à l'animation en 2003, en doublant l'un des personnages de Gang de requins. En 2008, il est L'Emmerdeur de Francis Veber dans l'adaptation de la pièce qu'il jouait trois ans auparavant sur les planches. Il retrouve pour l'occasion son partenaire de scène et fidèle complice Richard Berry. Malheureusement, le film peine à trouver son public.

En 2012, après avoir participé au lucratif Sur la piste du Marsupilami d'Alain Chabat, il tient l'une des deux têtes d'affiche de Stars 80, porté par une myriade de vedettes de la chanson. L'année suivante, il kidnappe le chanteur Dave dans la comédie tendre Une chanson pour ma mère, puis côtoie le jeune chanteur et humoriste Max Boublil dans Prêt à tout. Second rôle dans Robin des bois, la véritable histoire, La Dream Team, Dalida et Gangsterdam, Patrick Timsit reprend en 2017 son personnage d'Antoine Miller dans Stars 80, la suite. En 2019, il campe le père des sœurs jouées par Leïla Bekhti et Géraldine Nakache dans l'émouvant J'irai où tu iras.

On le voit ensuite dans le film d'aventures Poly, la comédie d'action Le Dernier Mercenaire, les comédies Alors on danse et Sexygénaires, le drame Frère et Sœur, la comédie dramatique Tombés du camion et la romance Aimons-nous vivants. En 2025, il campe ni plus ni moins que le Père Noël dans À la poursuite du Père Noël ! de James Huth.