Анна Мэри «Патти» Дьюк (англ. Anna Marie «Patty» Duke) родилась 14 декабря 1946 года в нью-йоркском районе Куинс, в семье кассирши Фрэнсис и водителя такси Джона Патрика Дьюка. Её отце был ирландцем, а бабушка по материнской линии — немкой.
Её семья была не очень удачной: отец страдал от алкоголизма, а у матери были частые депрессии и к тому же она была склонна к насилию. Когда Анне Мэри исполнилось шесть лет её мать ушла от мужа, забрав дочь с собой.
В восьмилетнем возрасте Дьюк обнаружили агенты Джон и Этель Росс, разглядевшие в ней талант и решившие сделать из неё маленькую актрису. Они же в то время стали фактически опекунами для неё, и изменили её имя на сценическое Патти Дьюк, надеясь, что она достигнет такого же успеха, как Патти Маккормак.
Её актёрская карьера началась на телевидении в одной из мыльных опер. Первая главная роль Патти Дьюк была в бродвейской пьесе «Сотворившая чудо», роль которой она играла в течение двух лет. В 1962 году вышла экранизация пьесы также с Дьюк в главной роли, которая принесла ей премию «Оскар», как «лучшей актрисе второго плана», а также «Золотой глобус», как лучшей начинающей актрисе. В 1963 году актриса стала ведущей своего собственного телевизионной программы «Шоу Патти Дьюк», которое продержалось в эфире три сезона и перенесло ей первую номинацию на «Эмми».
Но несмотря на успешную карьеру, в личной жизни у Дьюк были проблемы. Её агенты, Джон и Этель Росс, фактически управляли её жизнью и заработками. Патти Дьюк и её мать получали от них только жалкие гроши на жизнь. К тому же, благодаря им в жизни юной актрисы появился алкоголь, из-за которого в будущем у неё были большие проблемы. Свободной от своих агентов она стала лишь в восемнадцатилетнем возрасте.
В 1960-х Патти Дьюк занялась музыкальной карьерой, записав несколько песен, попавших в Top 40, среди которых «Don’t Just Stand There» в 1965 году и «Dona Dona» в 1968 году. В 1970 году она получила свою первую премию «Эмми» за роль в телевизионном фильме «Мой дорогой Чарли». В последующие годы Дьюк в основном работала на телевидении, появившись в большом количестве телефильмов и сериалов, при этом снявшись лишь несколько раз на большом экране. Наиболее знаменитыми её киноролями тех лет стали Натали Миллер в фильме «Я, Натали» (1969), за которую она была удостоена второй премии «Золотого глобуса», а также Рита в фильме «Рой» (1978).
В 1977 году она стала обладательницей второй премии «Эмми» за роль в минисериале «Капитаны и короли», а в 1980 году вновь получила эту премию за роль в телевизионной версии фильма «Сотворившая чудо». В 1985 году Дьюк была избрана президентом Гильдии экранных актёров, на посту которого была до 1988 года.
В 2002 году актриса появилась на Бродвее в роли тёти Эллер в мюзикле «Оклахома!». В декабре 2007 года она была награждена почётной докторской степенью Университета Северной Флориды за свою работу в области психического здоровья человека.
Патти Дьюк является автором автобиографии «Call Me Anna» (1987) и «Brilliant Madness: Living with Manic Depressive Illness» (1992).
В возрасте 18 лет Патти Дьюк вышла замуж за режиссёра Гарри Фалка, которому в то время был 31 год. В это же время у неё начались проблемы с алкоголем, которые также сопровождались несколькими попытками самоубийства. Это привело к тому, что спустя четыре года брак распался. В 1970-е годы у актрисы были романтические отношения с актёром Джоном Астином. Она также встречалась с сыном Люсиль Болл Дэзи Арназом Мл., отношения с которым были очень не долговечны, так как мать Дэзи активно выступала против этого.
В 1970 году она вышла замуж за промоутера Майкла Телла, брак с которым был аннулирован через две недели. Вскоре Патти Дьюк заявила, что беременна. В прессе сообщалось, что отцом ребёнка является Дэзи Арназ Мл., хотя сама Дьюк утверждала, что Джон Астин. 25 февраля 1971 года она родила своего первенца Шона Астина.
В 1972 году Дьюк вышла замуж за Джона Астина, который признал Шона своим сыном, а в 1973 году актриса родила от него второго сына, Маккензи Астина. Во время брака Астин и Дьюк много работали вместе. Актриса даже добавила к своему имени фамилию мужа. В 1985 году Патти Дьюк развелась с Джоном Астином, и, через год, в третий раз вышла замуж, за сержанта Майкла Пирса и переехала в штат Айдахо, где они вместе занимались воспитанием её младшего сына.
В 1982 году у неё было диагностировано биполярное аффективное расстройство, но благодаря своевременному и качественному лечению её здоровье со временем нормализовалось.