Haar vader was boekhouder bij een kolenbedrijf. Na het afwerken van een toneelopleiding aan de Northwestern Universiteit van Chicago ging Patricia Neal aan de prestigieuze Actor’s Studio in New York studeren. Ze werkte een tijd als model tot ze in 1946 als doublure haar toneeldebuut maakte in The Voice of the Turtle. Met haar rol in Another Part of the Forest van Lillian Hellman gaf ze haar spreekwoordelijk visitekaartje af want ze kreeg er maar liefst vijf prijzen voor waaronder een Tony Award.
In 1948 tekende ze een contract bij Warner Brothers. Na haar langspeelfilmdebuut in John Loves Mary met Ronald Reagan bewees ze op vlak van film haar kunnen met haar tweede film, The Fountainhead. Ze had vanaf dan een relatie met de overigens op dat moment nog getrouwde tegenspeler Gary Cooper, een affaire die breed werd uitgesmeerd in de pers. Toen die na drie jaar werd beëindigd viel ze in een depressie. Ze leerde Roald Dahl kennen, een Britse schrijver waar ze in 1953 mee trouwde. De volgende jaren was ze niet meer te zien in films. Daarna ging ze de klemtoon wat meer op toneel en wat minder op film leggen, vooral op de Londense en New Yorkse toneelplanken was ze bijzonder succesvol.
In 1957 kwam ze heel overtuigend terug met haar rol in A Face in the Crowd en was vanaf dan vrij selectief in haar keuze van filmrollen.

Haar rol als de sensuele, kalme huishoudster Alma die aangerand wordt door de anarchistische, dronken Hud in de film met dezelfde naam leverde haar een Academy Award/Oscar op.

Op professioneel-/acteervlak ging het haar weliswaar voor de wind maar privé bleef ze niet gespaard van onheil : haar dochtertje Olivia stierf op jonge leeftijd aan de mazelen, haar zoontje Theo werd zwaar gekwetst bij een verkeersongeval toen hij nog een baby was en werd aangereden door een taxi. Het jongetje overleefde het ongeval niettegenstaande hij maar liefst acht hersenoperaties moest ondergaan.

Alsof het nog niet genoeg was kreeg Patricia Neal op het ogenblik dat ze begon te werken aan 7 Women en voor de vijfde keer zwanger was meerdere beroertes, met een blijvende gedeeltelijke verlamming tot gevolg. Ze was vanaf dat ogenblik niet alleen aan een rolstoel gekluisterd, ook haar spraakvermogen was ernstig aangetast. De manier waarop ze er lang en met goede moed tegen vocht én de onvoorwaardelijke steun die ze hierbij leek te krijgen van haar echtgenoot waren de basis voor de tv-film The Patricia Neal Story (1981) met in de hoofdrollen Dirk Bogarde en Glenda Jackson in de rol van Patricia Neal. Toen Neal er achter kwam dat haar man een relatie had met één van haar beste vriendinnen volgde een onvermijdelijke echtscheiding waar de pers uitgebreid aandacht aan besteedde. Ze verliet haar thuisadres in Engeland en trok naar New York waar ze de draad weer opnam op vlak van acteren. Sterker nog, ze slaagde zelfs in een soort van comeback; in 1968 was ze te zien als moeder van een terugkerende oorlogsveteraan in The Subject Was Roses. Het jaar waarin ze hiervoor een Oscar-nominatie kreeg ontving ze van President Lyndon B. Johnson de Heart of the Year Award.

Hierna was ze nog sporadisch te zien in films als The Passage (1979) en Ghost Story (1981), All Quiet on the Western Front (1979) en natuurlijk The Homecoming - A Christmas Story (1971), de voorganger van The Waltons maar ze verscheen ook in verschillende tv-films.

In 1988 werd haar autobiografie uitgebracht onder de titel As I Am. Daarin waren heel wat details te lezen over haar relaties met Cooper en Dahl. In 1983 scheidde ze van Roald Dahl.