La carriera agonistica di Patrick iniziò con i go-kart nella sua città natale di Beloit, nel Wisconsin, all’età di 10 anni. All’età di 16 anni, dopo il successo nazionale nei go-kart, Patrick ha lasciato il liceo per correre Formula Ford e Vauxhalls nel Regno Unito. Si è classificata seconda nel 2000 Formula Ford festival, il miglior risultato di sempre per un americano in quel terreno di deposizione delle uova per i futuri professionisti.

Patrick tornò negli Stati Uniti nel 2002 dopo essere stato firmato per il suo primo contratto di Indy-car racing dall’ex pilota Indy Bobby Rahal., È stata poi promossa a Toyota Formula Atlantic open-wheel cars. Anche se non ha mai vinto in quella serie, ha finito terzo nella classifica generale piloti nel 2004, che ha portato alla possibilità di qualificarsi per la 500 miglia di Indianapolis. Altre tre donne-Janet Guthrie, Lyn St. James e Sarah Fisher—si erano precedentemente qualificate per la Indy 500, la gara automobilistica più prestigiosa degli Stati Uniti. Nella sua prima apparizione a Indy, nel 2005, Patrick ha stabilito il giro più veloce in pratica (229.88 mph ), ma non è riuscita a duplicare questa impresa durante le qualifiche ufficiali., È diventata la prima donna a guidare la gara classica (tre volte per un totale di 19 giri) e alla fine è arrivata quarta. È stata nominata Rookie dell’anno per il 2005 ed è stata votata come pilota più popolare della Indy Racing League (IRL) nel 2005, 2006 e 2007.

Patrick ha iniziato a correre con il team Andretti Green Racing (AGR) nel 2007. Il 20 aprile 2008, nella sua 50ª partenza in IRL, Patrick ha ottenuto la prima grande vittoria della sua carriera—la gara Firestone IndyCar 300 sul circuito Twin Ring Motegi a Motegi, in Giappone., Patrick, alla guida di una Dallara-Honda per AGR, ha abilmente evitato un pit stop tardivo in gara e ha chiuso con 5,86 secondi di vantaggio sull’ex titolare IRL Hélio Castroneves del Brasile, diventando la prima donna a vincere un evento del campionato IndyCar. La vittoria di Patrick, e il suo sesto posto nel campionato piloti della stagione, hanno messo a tacere molti critici che, alla luce delle sue lucrose attività di merchandising e endorsement, si erano chiesti a volte se fosse solo un fenomeno di marketing.

A partire dal 2010, Patrick ha corso una stagione parziale nella Nationwide Series di livello inferiore della NASCAR, oltre a continuare a competere in IndyCar racing. Nel mese di agosto 2011 ha annunciato che si sarebbe trasferita alla NASCAR a tempo pieno nel 2012 e avrebbe partecipato sia a livello nazionale e Sprint Cup (top-tier) gare. Patrick ha vinto la pole position per la Daytona 500 2013, diventando la prima donna a iniziare una gara di Sprint Cup dalla pole. Divenne anche la prima donna a condurre un giro in quella gara, e finì all’ottavo posto., Nel 2017 ha annunciato che si sarebbe ritirata dopo l’Indy 500 dell’anno successivo. In quel caso si è schiantata durante il giro 68.

Patrick cowrote diversi libri, tra cui il libro di memorie Crossing the Line (2006) e Pretty Intense: The 90-Day Mind, Body, and Food Plan that Will Absolutely Change Your Life (2017).