Patrick Bauchau est le fils de l'écrivain, psychanalyste et philosophe Henry Bauchau. Il suit ses études à l'Université d'Oxford. Il parle couramment le français, l'anglais, l'espagnol, l'italien, l'allemand, et a des notions de russe et de néerlandais.
Il fait ses débuts au cinéma au début des années 60, dans le courant cinématographique de la Nouvelle Vague. En 1967, il joue dans La Collectionneuse d'Eric Rohmer, un film qui remportera l'Ours d'argent à Berlin, et dont Patrick Bauchau a écrit les dialogues. Il jouera par la suite dans pratiquement tous les genres cinématographiques, que ce soit le film érotique (Emmanuelle IV, en 1984), le film d'action (dangereusement vôtre en 1985), le film d'horreur (Phenomena en 1985), la science-fiction (Chrysalis, en 2007), le biopic (Ray en 2004), le thriller (Panic Room en 2002), la comédie (Mister G en 1998), le drame (la femme publique en 1984).
Pour la télévision, après avoir été envisagé dans le rôle du capitaine Jean-Luc Picard pour la série Star Trek la nouvelle génération, il joue de façon récurrent dans les serie le Caméléon de 1996 à 2001, Kindred : le Clan des maudits, La Caravane de l'étrange, et il apparaît dans Columbo, Arabesque, Commissaire Moulin, Dr House, Alias, 24 heures chrono.
 
De part son mariage avec Mijanou Bardot, il est la beau-frère de Brigitte Bardot.