Patrick Galen Dempsey nació el 13 de enero de 1966 en Lewiston, Maine, hijo de Amanda Caisson, secretaria escolar, y de William A. Dempsey, vendedor de seguros. Aunque nació en Lewiston, se crió en Buckfield, una pequeña localidad del mismo estado, donde transcurrió una infancia que lo distinguió desde temprano por habilidades poco convencionales para un futuro actor. Asistió a los colegios Buckfield High School y St. Dominic Regional High School, del que se marchó antes de graduarse, siguiendo el impulso de quienes saben que su camino no cabe dentro de las aulas convencionales.
Siendo adolescente, Dempsey destacó en dos disciplinas que definen el carácter más que cualquier currículum: el malabarismo y el esquí. Alcanzó la segunda posición en una competencia nacional de malabarismo, y durante su etapa escolar ganó el campeonato estatal de Maine en esquí, un logro que habla de disciplina y coordinación física extraordinarias. A los doce años le diagnosticaron dislexia, una condición que podría haber limitado sus ambiciones pero que en cambio forjó en él una tenacidad particular. En 2008, en una entrevista con Barbara Walters, confesó que considera que la dislexia contribuyó a hacer de él el hombre que es, impulsándolo a seguir luchando sin rendirse jamás.
Su descubrimiento como actor llegó de manera fortuita, a través de una invitación a una audición para un papel en la producción teatral de "Torch Song Trilogy". La audición resultó un éxito rotundo, y Dempsey pasó los cuatro meses siguientes de gira con la compañía en Filadelfia. Aquella primera experiencia sobre las tablas abrió la puerta a una nueva gira con la obra "Brighton Beach Memoirs", en el papel principal, bajo la dirección de Gene Saks. También participó en producciones de "On Golden Pond" con la Maine Acting Company y en un renacimiento de "The Subject Was Roses" en el Roundabout Theatre de Nueva York, en 1990, junto a John Mahoney y Dana Ivey.
Su debut en el cine llegó a los veintiún años con la película "In The Mood", ambientada en la Segunda Guerra Mundial y protagonizada junto a Beverly D'Angelo, donde interpretó a Ellsworth Wisecarver, un joven cuyas relaciones con mujeres casadas mayores generaron un revuelo nacional. Ese papel fue seguido por la comedia adolescente "Can't Buy Me Love" en 1987, junto a la actriz Amanda Peterson, que alcanzó gran éxito popular. En 1988 protagonizó "Some Girls" junto a Jennifer Connelly, aunque esta película resultó un fracaso. En 1989 tuvo papeles protagónicos en "Loverboy" junto a Kirstie Alley y "Happy Together" con Helen Slater.
La década de 1990 fue para Dempsey una etapa de búsqueda y consolidación televisiva. Participó en varios pilotos que no llegaron a convertirse en series completas, pero cosechó elogios por su interpretación del jefe mafioso Meyer Lansky en la película "Mobsters" en 1991. En 1993 interpretó a un joven John F. Kennedy en la miniserie "JFK: Reckless Youth", demostrando una versatilidad que sus primeros papeles de comedia adolescente no dejaban prever. En el año 2000 apareció en "Scream 3" como el detective Kincaid.
En televisión, su visibilidad creció con un papel recurrente en "Will & Grace" como el novio deportista de Will, y posteriormente con el papel de Aaron Brooks, el hermano psicológicamente desequilibrado de Judy, en "Once and Again", trabajo por el que recibió una nominación al Emmy en 2001 como mejor actor invitado en una serie dramática.
Sin embargo, el verdadero punto de inflexión en su carrera llegó con "Anatomía de Grey" de la cadena ABC, donde interpretó al neurocirujano Derek Shepherd, apodado afectuosamente por los fans como "McDreamy". El personaje capturó la imaginación del público de manera inmediata, convirtiendo a Dempsey en una de las figuras más reconocidas de la televisión estadounidense y ganándose una nominación al Emmy en esa categoría.
En paralelo al éxito televisivo, Dempsey protagonizó una serie de películas exitosas: la película de Disney "Encantada" en 2007, "Made of Honor" en 2008, "Historias de San Valentín" en 2010, "Transformers: el lado oscuro de la luna" en 2011 y "El bebé de Bridget Jones" en 2016. También prestó su voz para el personaje de Kenai en "Brother Bear 2". Películas previas de referencia en su carrera incluyen "Estallido" en 1995 y "Sweet Home Alabama" en 2002.
Menos conocida pero igualmente relevante es su pasión por el automovilismo. Dempsey es un piloto de carreras activo que ha participado en competencias de resistencia de nivel internacional, combinando su carrera artística con una afición que exige la misma concentración y disciplina que la actuación. Es un ejemplo de cómo una figura pública puede cultivar una vida plena más allá de los reflectores, persiguiendo con igual seriedad lo que le apasiona dentro y fuera de los estudios.

