PATRICK DEMPSEY è meglio conosciuto per il suo ritratto del Dr. Derek Shepherd della fortunata serie della ABC "Grey's Anatomy". Nel 2007, la sua performance gli è valsa un Screen Actors Guild (SAG) Award per la Prestazione Eccezionale Di Un Cast In Una Serie Drammatica. È stato candidato a sette Choice Award per il ruolo, e nel 2015 ha portato a casa il suo terzo premio. Nel 2006 e nel 2007, Dempsey è stato nominato ai Golden Globe come Miglior Attore Protagonista In Una Serie Televisiva - Dramma, e nel 2006 è stato nominato per un SAG Award per la Prestazione Eccezionale Da Un Attore In Una Serie Drammatica. La società di produzione di Dempsey, SHIFTING GEARS, produce contenuti sia per la televisione che per il cinema. Hanno opzionato il libro "The Limit", per il quale stanno attualmente sviluppando una serie per la SundanceTV, così come la serie "Fodors", per NBCUniversal International Networks.
Oltre alla passione per la recitazione, Dempsey ama le corse e i motori. E' pilota e ha una propria scuderia, la DEMPSEY RACING, vincitrice di parecchie competizioni. Nel 2013, Dempsey è il protagonista della docuserie prodotta da Shifting Gears, 'Patrick Dempsey: Obiettivo Le Mans' (Patrick Dempsey: Racing Le Mans) per Velocity Channel. La serie ha seguito il pilota Dempsey durante la preparazione, le tappe e i retroscena della leggendaria 24 Ore di Le Mans, la gara automobilistica più antica del mondo. Dempsey ne è stato produttore esecutivo. Nel 2008, ha aperto il Patrick Dempsey Center for Cancer Hope and Healing nella sua città natale Lewiston, nel Maine. Ogni autunno, la Dempsey Challenge organizza gare di corsa e bicicletta per la raccolta fondi a sostegno dell'istruzione e dei servizi di medicina integrativa a tutti coloro colpiti dal cancro.
Dempsey è diventato famoso per i film nostalgici e sentimentali come "Playboy in prova" (Can't Buy Me Love) e "Seduttore a domicilio" (Loverboy). Tra i suoi film ricordiamo: "Transformers 3" (Transformers: Dark of the Moon); "Appuntamento con l'amore" (Valentine's Day); "Un amore di testimone" (Made of Honor); "Come d'incanto" (Enchanted); "Freedom Writers"; "Tutta colpa dell'amore" (Sweet Home Alabama); "Scream 3"; "110 e lode" (With Honors); "Virus letale" (Outbreak); "Hugo Pool"; "The Treat"; "Il club degli imperatori" (The Emperor's Club); "Catholic Boys" (Heaven Help Us); "Innamorati pazzi" (Happy Together); "Some Girls"; "Coupe de Ville"; "Run"; "L'Impero del crimine" (Mobsters), e "Il Pomo di Adamo" (In the Mood). Dempsey ha ottenuto una nomination ai Primetime Emmy Award nel 2001 per la sua interpretazione di 'Aaron Brooks' nel lavoro di Sela Ward, interpretando il fratello psicologicamente instabile, nel programma televisivo di grande popolarità "Ancora una volta" (Once and Again). Dal 2000 al 2001, ha fatto delle apparizioni memorabili in tre episodi del fortunato programma della NBC Will & Grace e, nel 2004, è stato co-protagonista nell'acclamata produzione della HBO "Angeli d'acciaio" (Iron Jawed Angels) al fianco di Hilary Swank e Anjelica Huston. Inoltre, Dempsey ha recitato nel film della NBC tratto dal romanzo di Fëdor Dostoevskij, "Delitto e Castigo", al fianco di Ben Kingsley. E' anche apparso nella miniserie televisiva "20.000 leghe sotto i mari" con Michael Caine, ed è stato co-protagonista assieme a Oliver Reed nel lavoro epico biblico, "Geremia il profeta". Dempsey è apparso per la prima volta sul palcoscenico nel ritratto di David nella produzione nella produzione di San Francisco, "Torch Song Trilogy." E' inoltre salito sul palco di The Pasadena Playhouse con il ruolo di Algernon Moncrieff in "The Importance of Being Earnest".