Патриция Нил, урождённая Пэтси Луиза, родилась в Теннеси. В юности она перебралась в Нью-Йорк, где состоялся её актёрский дебют на Бродвее. В 1946 году за одну из первых своих бродвейских ролей актриса была удостоена премии «Тони», на первой церемонии вручения данной награды.
В 1949 году на съёмках фильма «The Fountainhead» Патриция без памяти влюбилась в самого на тот момент востребованного голливудского актёра, Гэри Купера, который был старше её на четверть века. После того как жена Купера заявила официальный протест, а его дочь на публике плюнула в Патрицию, её связь с кумиром миллионов стала достоянием журналистов. Под влиянием общественного мнения актриса вынуждена была расстаться с Купером и сделать аборт.
Впоследствии она вышла замуж за выдающегося английского писателя Роальда Даля, от которого у неё родилось пятеро детей. Однако двое из них погибли при трагических обстоятельствах, и безутешная мать стала прихожанкой одной из христианских поместных церквей. В 1965 году, будучи беременной, она впала на три недели в кому и в течение нескольких месяцев была парализована, однако оправилась от недуга, вернулась в кино и в 1968 году была выдвинута на премию «Оскар».
В 1981 году знаменитая английская актриса Гленда Джексон сыграла Патрицию в биографическом телефильме «История Патриции Нил».
Патриция Нил скончалась 8 августа 2010 года от рака лёгкого.