Patrice Chéreau, Sohn zweier bildender Künstler, erlangte erstmals als Schauspieler und Regisseur von Schultheateraufführungen größere Beachtung. Kritikern fiel Patrice Chéreau bereits im Alter von 16 Jahren auf: Begeistert wurde er als Wunderkind des Theaters gefeiert. Profes­sionell Regie zu führen begann er schließlich als 23-Jähriger. In der Pariser Trabantenstadt Sartrouville leitete er ein Volkstheater. Anschließend folgten Arbeiten für das Piccolo Teatro in Mailand mit Inszenierungen von Werken von Pablo Neruda, Tankred Dorst, Pierre Carlet de Marivaux sowie von Frank Wedekinds »Lulu«.
Zwischen 1982 und 1990 war Patrice Chéreau Künstlerischer Leiter des Théâtre des Amandiers in Nanterre, Paris. Gemeinsam mit Catherine Tasca übernahm er damals die Leitung dieses Theaters. An diesem Haus führte er die meisten Werke von Bernard-Marie Koltès auf. Es folgten weitere Produktionen von Jean Genet, Heiner Müller, Tschechow und Shakespeare.
Schon früh wandte er sich neben seinen Theaterinszenierungen auch dem Genre Oper zu. Als 29-Jähriger inszenierte er beim Spoleto Festival erstmals Rossinis »L’italiana in Algeri«. 1974 folgte schließlich seine Inszenierung zu »Les contes d’Hoffmann« von Jacques Offenbach an der Pariser Opéra. An diesem Haus kam fünf Jahre später auch seine legendäre Inszenierung der von Friedrich Cerha vollendeten dreiaktigen Fassung von Alban Bergs »Lulu« mit Pierre Boulez als Dirigent heraus. Seine gefeierten Inszenierungen von Wagners »Der Ring des Nibelungen« zum 100-jährigen Bestehen der Bayreuther Festspiele (1976–1980) gelten als Meilenstein und »Jahrhundert-Ring«. Seine vielleicht wichtigste Opernproduktion ist Janáčeks »Aus einem Totenhaus«, die zuerst bei den Wiener Festwochen 2007 gezeigt wurde. Erstmals arbeitete er dabei seit seinem »Ring« wieder mit Pierre Boulez zusammen.
Seine Arbeit als Filmregisseur begann Patrice Chéreau Mitte der 1970er Jahre mit dem Thriller »La chair de l’orchidée« (»Das Fleisch der Orchidee«) mit Charlotte Rampling in der Hauptrolle. Weitere bedeutsame Filme waren »Judith Therpauve« (»Die letzte Ausgabe«, 1978) mit Simone Signoret, »Hôtel de France« (1987) oder »Le temps et la chambre« (1992). Sein Film »La reine Margot« (»Die Bartholomäusnacht«, 1994) mit Isabelle Adjani wurde mit dem Preis der Jury in Cannes und fünf Césars ausgezeichnet. Einen César erhielt er auch für seinen Film »L’homme blessé« mit Vittorio Mezzogrino 1984. Auf der Berlinale wurden seine Filme »Ceux qui m’aiment prendront le train« (»Wer mich liebt, nimmt den Zug«, 1998), »Intimacy« (2001) und »Son frère« (2003) gezeigt. 2005 kam sein Film »Gabrielle« mit Isabelle Huppert heraus. 2003 wandte er sich mit seiner Inszenierung von Racines »Phèdre« auch wieder dem Theater zu. Diese Koproduktion der Ruhrtriennale mit den Wiener Festwochen erhielt den Molière-Theaterpreis. Seine letzte Regiearbeit galt »Elektra« von Richard Strauss, die seit 2013 an einer Reihe von führenden Theatern in Europa und in Übersee zu erleben war.
Patrice Chéreau ist im Oktober 2013 in Paris verstorben.