Robert Patrick commence sa carrière d'acteur en jouant dans des pièces de théâtre au lycée, et mène parallèlement une carrière d'athlète de haut niveau. Il décide de vivre sa passion pour le métier de comédien en déménageant à Hollywood en 1984, où il est rapidement remarqué par le cinéaste et producteur Roger Corman, qui lui donne ses premières chances dans plusieurs films de série B.

58 minutes pour vivre face à Bruce Willis est sa première prestation d'envergure au cinéma. Un an plus tard, James Cameron le choisit pour ce qui reste son rôle le plus célèbre, celui du robot T-1000 dans Terminator 2 : le jugement dernier où il tente d'éliminer Arnold Schwarzenegger. La carrière de Robert Patrick est désormais lancée : on le voit apparaître dans des rôles de bad guy dans plusieurs grosses productions comme Striptease, Copland ou The Faculty.

A partir de 1999, Robert Patrick se fait connaître des fans du petit écran en incarnant le rôle de John Doggett dans la série X-Files. Sa performance est suffisamment appréciée pour lui permettre de relancer sa carrière et surtout sortir du registre de tueur froid auquel il est souvent associé. En effet, suite à cela, il inscrit ensuite son nom au générique de plusieurs films à grand spectacle comme Spy Kids (dans lequel il retrouve Robert Rodriguez, le metteur en scène de The Faculty) ou Charlie et ses drôles de dames. A sa carrière télévisuelle s'ajoutent aussi des apparitions dans Lost, les disparus et Stargate Atlantis.

En 2005, Robert Patrick incarne le père d'Elvis dans la minisérie du même nom, et le père de Johnny Cash dans Walk the line, retrouvant ainsi le cinéaste James Mangold. L'année suivante, il revient au thriller avec sa participation à Firewall, aux côtés d'Harrison Ford. Habitué aux rôles secondaires mais marquants, il multiplie les apparitions dans des productions variées, telles que Mémoires de nos pères (2006) ou encore Le Secret de Terabithia (2007), où il interprète le rôle d’un émouvant père de famille, loin de ses rôles habituels. Il rejoint ensuite les prestigieux castings des Chèvres du Pentagone (2010) et de Sécurité rapprochée (2012). Toujours en 2012, son chemin recroise celui de Clint Eastwood pour Une nouvelle chance, réalisé par Robert Lorenz.