Пэт Тиллман родился в Сан-Хосе, штат Калифорния. В 1994 году он стал выступать за команду университета штата Аризона по американскому футболу, играл на позиции лайнбекера. При небольшом для этой позиции росте (180 см) Тиллман преуспел в игре и на старшем курсе был признан лучшим защитником в Тихоокеанской конференции. В 1998 году он окончил университет со специализацией в маркетинге со средним баллом 3,84.
На драфте НФЛ 1998 года Тиллман был выбран под 226-м номером клубом «Аризона Кардиналс». В первом же сезоне он застолбил за собой позицию лайнбекера, сыграв в основном составе в десяти из шестнадцати игр. В 2000 году он побил рекорд команды по тэклам.
В мае 2002 года, через восемь месяцев после атак 11 сентября 2001 года и после завершения сезона, Тиллман отклонил новый трёхлетний контракт на сумму 3,6 млн долларов, предложенный ему клубом, и вместе с братом Кевином (который отказался от карьеры в профессиональном бейсболе) записался в армию США, чтобы отомстить террористам.
В конце 2002 года братья закончили курсы подготовки рейнджеров и были определены во 2-й батальон 75-го полка рейнджеров в Форт-Льюис, штат Вашингтон. В 2003 году Пэт Тиллман участвовал во вторжении коалиционных войск в Ирак, после чего был направлен в Афганистан.
Находясь в Афганистане, Тиллман, — отправившийся на службу в армию ради того, чтобы, как он сам выражался: «Найти Бин Ладена», — обнаружил что даже такие высокопрофессиональные и узкоспециализированные части как рейнджеры, занимаются банальной охраной маковых плантаций и все их «миссии» так или иначе связаны с обеспечением выращивания и перевозки опия-сырца, что трактовалось их командованием как «помощь» мирному афганскому народу и «вынужденная» мера, чтобы завоевать доверие местных племенных предводителей. Он стал писать об этом в письмах родным, — а поскольку у себя на родине Пэт был звездой спорта, информация которую он присылал в своих письмах расходилась далеко за пределы его семьи, — за что был предупреждён компетентными офицерами из группировки американских войск в Афганистане о недопустимости разглашения служебной информации. Это предупреждение, он тем не менее проигнорировал — сослуживцы впоследствии вспоминали, что Тиллмана, профессионального спортсмена, было весьма проблематично запугать как физически так и морально.
Специалист Армии США Тиллман погиб 22 апреля 2004 года под т. н. «дружественным огнём» во время патрулирования в провинции Хост, а именно от трёх выстрелов в голову, произведённых с расстояния прицельного пистолетного выстрела. По характеру раневых каналов было установлено, что стрелявший находился позади Тиллмана, т. е. фактически стрелял в затылок — военные власти долгое время пытались скрыть этот факт от огласки. Армия дольше месяца вообще отказывалась называть причины его гибели, даже его родителям. Взамен они выпустили сфабрикованный пресс-релиз, повествуя о его героических подвигах в борьбе с афганскими боевиками. Дело приобрело широкий общественный резонанс в Штатах и детали его смерти позже стали предметом специального расследования Конгресса США.
Первая реляция о смерти Тиллмана гласила, что он вместе с отрядом попал в засаду возле деревни Сперах в 40 километрах к юго-западу от Хоста, возле границы с Пакистаном, и погиб в перестрелке с террористами. Тиллман был посмертно награждён «Серебряной звёздой», «Пурпурным сердцем» и получил посмертное повышение до звания капрала, его тело было перевезено на родину, где он был с почестями похоронен на военном кладбище.
Однако через пять недель военного расследования было сообщено, что Пэт стал жертвой «дружественного огня», то есть он был убит американскими солдатами в неразберихе, последовавшей за взрывом мины у военной автоколонны. В ходе расследования выяснилось, что непосредственному командованию капрала было известно об истинных причинах его гибели с самого начала, но эта информация была скрыта от прессы. Ещё позже, появилась информация о том, что никакой неразберихи, «последовавшей за взрывом мины», как и самого взрыва не было. Во время патрулирования была вполне рабочая обстановка и совершенно нормальная видимость, чтобы отличить бойца своего или соседнего подразделения от моджахеда, учитывая также оснащённость подразделений ВС США специальным высокоточным навигационным оборудованием, чётко показывающим на карте свои подразделения и даже отдельных военнослужащих. Позже также выяснилось что патруль, на который и был отправлен Тиллман, и который стал для него последним, был внеплановым.
19 сентября 2004 года игроки всех команд НФЛ играли с траурными наклейками на шлемах в память о Пэте Тиллмане. «Аризона Кардиналс» провели с этими наклейками весь сезон 2004.
Клуб «Аризона Кардиналс» вывел из обращения номер 40, так же поступила команда университета штата Аризона «Сан Девилс» с номером 42, под этими номерами Пэт Тиллман играл в НФЛ и колледже. «Кардиналс» назвали площадь, на которой расположен их домашний стадион в Глендейле, площадью Свободы имени Пэта Тиллмана. Позже на этой площади был установлен бронзовый памятник.
Именем Пэта Тилмана назван объездной мост через реку Колорадо.
В 2007 году известный американский писатель Джон Кракауэр написал книгу "Как мужчины достигают славы: одиссея Пэта Тиллмана" , где производит расследование гибели Тиллмана. В 2010 году выходит документальный фильм История Тиллмана (англ. )