Son père Henry Bauchau est un écrivain célèbre, psychanalyste et philosophe. Sa mère était éducatrice ainsi que par la suite directrice d'une maison d'édition . Patrick Bauchau a fréquenté l'Université d'Oxford et étudié les langues modernes (il parle le français, l'anglais, l'espagnol, l'italien, l'allemand et un peu de russe et de néerlandais).
Patrick Bauchau a débuté dans le cinéma français de la Nouvelle Vague. Son oeuvre recouvre la période des années 1960 à nos jours, mais il s'est offert une courte pause dans les années 1970.
Ses rôles les plus connus sont ceux de Adrien dans La Collectionneuse (film dont il a co-écrit les dialogues), Sydney dans la série Le Caméléon de 1996 à 2001, Archon dans la série Kindred : le Clan des maudits (1996) ou Scarpine dans le film de James Bond A View to a Kill (1985). En 2009, il incarne Roland Picard, directeur du Louvre dans le film 2012 de Roland Emmerich. Il a également participé à de nombreux autres films et productions télévisées aux États-Unis et en Europe.
De par son mariage avec Mijanou Bardot, il est le beau-frère de l'actrice Brigitte Bardot. Il a eu avec Mijanou une fille, Camille, habitant en Italie.
En 2005, Patrick Bauchau renoue avec le petit écran via trois séries à succès : la cinquième et dernière saison de Alias de
J.J. Abrams, la cinquième saison de 24 heures chrono aux côtés de Kiefer Sutherland et la première saison de : Les Experts : Manhattan. Puis en 2007, il incarne le Général Guillaume de Lestrade dans la saga de l'été de TF1, mêlant fantastique et science-fiction, Mystère.
En 2010, Patrick a été choisi par son compatriote Jean Claude Van Damme pour tourner a ses côtés dans le quatrième opus d'Universal Soldier.