Patrick Tambay débute dans la course automobile dans les années 70. Il participe au championnat d'Europe Formule Renault en 1972 et se classe deuxième en 1973 derrière René Arnoux

Il débute en Formule 2 en 1974 et remporte son premier succès sur le circuit de Nogaro, avec une Alpine-BMW. L'année suivante il cout avec une March et termine à la deuxième place à quatre reprises et remporte une autre victoire toujours sur le circuit de Nogaro. Il se classe troisième du championnat. En 1976, pour ne rien changer, il remporte une troisième victoire consécutive à Nogaro et décroche six podiums supplémentaires et se classe de nouveau troisième au championnat. Cette année-là, il participe également aux 24 Heures du Mans au volant d'une Alpine-Renault.

En 1977, Patrick va s'engager dans deux championnats : le Can-Am avec l'écurie de Carl Haas, et le championnat du monde de F1 avec Theodore Racing .

En F1, il pilote Ensign N177, une voiture qui n'est pas la meilleure du plateau. Il aurait dû prendre le départ de son premier Grand Prix en France mais sa voiture n'étant pas prête, il va se voir confier le volant d'une Surtees avec laquelle il ne parvient pas à se qualifier. Il va ensuite réussir à rentrer dans les points avec l'Ensign à trois reprises en se classant sixième lors du Grands Prix d'Allemagne puis cinquième aux Pays-Bas et au Canada. Il fait la connaissance de Gilles Villeneuve, qui devient un ami proche.

En Can-Am, un championnat qui reprend après deux saisons d'absence, le pilote français remporte six épreuves, dont les cinq dernières du championnat, et s'octroie le titre sans problème.

En 1978, Gilles Villeneuve part chez Ferrari et Patrick est engagé par McLaren pour le remplacer. Il parvient à marquer un point dès le premier Grand Prix de la saison mais n'en marque pas un seul sur les six manches suivantes. Lors du Grand Prix de Suède, il se classe quatrième, ce qui sera son meilleur résultat de la saison. Il rentre ensuite dans les points à deux reprises en se classant cinquième en Italie et sixième aux Etats-Unis.

L'année suivante, toujours avec McLaren, va s'avérer difficile pour lui. Il est souvent confronté à des problèmes mécaniques mais aussi à des accrochages. Il ne parvient pas à se qualifier lors de deux Grand Prix et termine la saison sans avoir marqué de point.

L'aventure McLaren ayant été une véritable déception pour lui, il décide de passer la saison 1980 aux Etats-Unis pour disputer le championnat Can-Am. Patrick rappelle ainsi que son talent existe bel et bien puisqu'il s'adjuge la victoire dans les six premières épreuves du championnat et remporte un deuxième titre.

Il revient en F1 en 1981, avec l'écurie Theodore. Dès la première course, il marque un point. En cours de saison, il quitte Theodore pour aller chez Ligier, ce qui sera désastreux : huit courses, huit abandons. A la fin de la saison, Patrick se retrouve sans volant pour la saison suivante.

En 1982, la Scuderia Ferrari est troublée par la mort de Gilles Villeneuve, et à mi saison, Patrick devient le coéquipier de Didier Pironi chez les rouges. Pour la première fois de sa carrière, il se retrouve au volant d'une voiture vraiment performante. Il peut ainsi remporter sa première course, sur le circuit d'Hockenheim et termine la saison avec une deuxième place sur l'autodrome de Monza.

La saison suivante, il décroche sa première pole position lors du Grand Prix du Brésil, trois autres suivront. Il remporte également la victoire sur le circuit Enzo e Dino Ferrari à Imola et avec quatre autres podiums dans la saison, termine à la quatrième place du championnat, derrière son coéquipier René Arnoux. A eux deux, ils offrent aussi à Ferrari le titre constructeur, pourtant, il est remercié à la fin de la saison.

Il trouve refuge chez Renault, une écurie qui a subi un coup dur en perdant les titres pilote et constructeur, qui un temps, semblaient acquis. De toute la saison 1984, Patrick ne connait la réussite que lors du Grand Prix de France, décrochant une pole-position et terminant à la deuxième place derrière Niki Lauda, après avoir mené la course pendant quarante-neuf tours. En 1985, il termine troisième à Estoril et à Imola.

En 1986, Carl Haas arrive en F1 avec des Lola THL2. Il donne les volants à Alan Jones et au français. La voiture n'est pas vraiment performante, Patrick ne pourra faire mieux que cinquième en Autriche. C'est sa dernière saison en F1.

Patrick reprend le volant en 1989 pour une saison dans le championnat du monde de voitures de sport avec Jaguar avant de mettre un terme à sa carrière de pilote.